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Biogenèse des centres fer-soufre

Publié le 20 mai 2020
C. Gerez, S. Ollagnier de Choudens, M. Pelosse

La maturation des sites métalliques tels que les centres fer-soufre (Fe-S), canoniques ou complexes (contenant des hétéroatomes supplémentaires), reste un domaine très actif et compétitif de la chimie bioinorganique. Les systèmes de maturation de ces centres Fe-S sont structurellement et fonctionnellement complexes et de plus en plus de maladies  [Reference] dues à un déficit dans le processus d'assemblage des Fe-S, ont été mises en évidence, soulignant l'importance d'étudier ce processus à un niveau moléculaire.

L'équipe de BioCatalysis a été pionnière dans l'étude au niveau moléculaire de la biogenèse du Fe-S chez les procaryotes. Chez les bactéries, il existe deux systèmes d'assemblage des centres Fe-S, le système ISC et le système SUF qui est responsable de la biogenèse des Fe-S en conditions de stress. Depuis 2000, l'équipe Biocatalyse travaille intensivement sur le système SUF, composé de six protéines SufA-SufB-SufC-SufD-SufS-SufE, en collaboration avec des spectroscopistes et des microbiologistes. L'équipe travaille également sur le système ISC, composé de sept protéines (IscS-IscU-IscA-HscA-HscB-Fdx et CyaY). Actuellement, une attention particulière est portée sur (i) les aspects structuraux et fonctionnels des complexes SufBCD et SufBCDSE avec leurs cofacteurs (Fe-S et FADH2) ; (ii) l'entrée du fer dans ces complexes pour former le centre Fe-S ; (iii) la caractérisation biochimique et biophysique de mutants ISC permettant de contourner la frataxine CyaY (une thérapie contre l'ataxie de Friedreich chez les eucaryotes); (iv) la caractérisation biochimique et biophysique des protéines de type-A (SufA, NfuA, IscA, ...sauvage et variants) et de certains systèmes de transfert d'électrons permettant une biosynthèse efficace de composés à haute valeur ajoutée dans la cellule (NAD, Biotine, bisabolène, antibiotiques...).

Une étude approfondie du système de biogenèse des centres Fe-S eucaryote est essentielle pour mieux appréhender les maladies liées aux déficits d'assemblage de ces Fe-S comme mentionné ci-dessus. Nous travaillons dans l’équipe sur la machinerie mitochondriale ISC des mammifères (Figure 1). Parmi les vingt protéines impliquées dans ce processus, nous nous concentrons sur (i) les protéines ISCA1/2 et leurs partenaires impliqués dans l'étape tardive du processus d’assemblage et (ii) sur la frataxine (FXN), impliquée dans l'étape initiale de la biogenèse des centres Fe-S et dont la déficience est à l'origine de l'ataxie de Friedreich (FRDA).


Figure 1 : Machinerie ISC mitochondriale.
e- : électron ; Fe : fer ; apo : apoprotéine ; X : inconnu ; CIA : machinerie Fe-S cytosolique ; cercles rouge et jaune : respectivement atomes de fer et de soufre.

Collaborations sur le projet :
F. Barras (Institut Pasteur, Paris) ; B. Py (LCB, Marseille) ; H. Puccio (INMG, Lyon) ; JM. Latour/ G. Blondin (PMB, LCBM, Grenoble) ; G. Veronesi (MCT, LCBM, Grenoble) ; J. Pérard (BEE, LCBM, Grenoble) ; G. Bokinsky (Delf, Hollande) ; J.C. Fontecilla-Camps (Métalloprotéines, IBS, Grenoble) ; S. Cianferani (IPHC, Strasbourg).

Support financier :
Agence nationale de la recherche (ANR FRACOL, ANR EraCoBioTech IronPlugNPlay)

Sélection de publications :
Py B, Gerez C, Huguenot A, Vidaud C, Fontecave M, de Choudens SO and Barras F
The ErpA/NfuA complex builds an oxidation-resistant Fe-S cluster delivery pathway.
Journal of Biological Chemistry, 2018, 293(20): 7689-7702

Pérard J and Ollagnier de Choudens S
Iron–sulfur clusters biogenesis by the SUF machinery: Close to the molecular mechanism understanding.
Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2018, 23(4): 581-596
Correction. Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2018, 23(4): 597

Beilschmidt LK, Ollagnier de Choudens S, Fournier M, Sanakis I, Hograindleur MA, Clémancey M, Blondin G, Schmucker S, Eisenmann A, Weiss A, Koebel P, Messaddeq N, Puccio H and Martelli A
ISCA1 is essential for mitochondrial Fe4S4 biogenesis in vivo.
Nature Communications, 2017, 8: Article number 15124

Blanc B, Clémancey M, Latour JM, Fontecave M and Ollagnier de Choudens S
Molecular investigation of Iron-Sulfur cluster assembly scaffolds under stress.
Biochemistry, 2014, 53(50): 7867-77869

Colin F, Martelli A, Clemancey M, Latour JM, Gambarelli S, Zeppieri L, Birck C, Page A, Puccio H and Ollagnier de Choudens S
Mammalian frataxin controls sulfur production and iron entry during de novo Fe4S4 cluster assembly.
Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(2): 733-740

Tsaousis AD, Ollagnier de Choudens S, Gentekaki E, Long S, Gaston D, Stechmann A, Vinella D, Py B, Fontecave M, Barras F, Lukes J and Roger AJ
Evolution of Fe/S cluster biogenesis in the anaerobic parasite Blastocystis.
Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(26): 10426-10431

Wollers S, Layer G, Garcia-Serres R, Signor L, Clemancey M, Latour JM, Fontecave M and Ollagnier de Choudens S
Iron-sulfur (Fe-S) cluster assembly: The SufBCD complex is a new type of Fe-S scaffold with a flavin redox cofactor.
Journal of Biological Chemistry, 2010, 285(30): 23331-23341

Gupta V, Sendra M, Naik SG, Chahal HK, Huynh BH, Outten FW, Fontecave M and Ollagnier de Choudens S
Native Escherichia coli SufA, coexpressed with SufBCDSE, purifies as a [2Fe-2S] protein and acts as an Fe-S transporter to Fe-S target enzymes.
Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(17): 6149-6153

Loiseau L, Gerez C, Bekker M, Ollagnier-de Choudens S, Py B, Sanakis Y, Teixeira de Mattos J, Fontecave M and Barras F
ErpA, an iron sulfur (Fe S) protein of the A-type essential for respiratory metabolism in Escherichia coli.
Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2007, 104(34): 13626-13631

Ranquet C, Ollagnier de Choudens S, Loiseau L, Barras F and Fontecave M
Cobalt stress in Escherichia coli: The effect on the iron-sulfur proteins.
Journal of Biological Chemistry, 2007, 282(42): 30442-30451

Layer G, Ollagnier-de Choudens S, Sanakis Y and Fontecave M
Iron-sulfur cluster biosynthesis: characterization of Escherichia coli CYaY as an iron donor for the assembly of [2Fe-2S] clusters in the scaffold IscU.
Journal of Biological Chemistry, 2006, 281(24): 16256-63

Loiseau L, Ollagnier de Choudens S, Fontecave M and Barras F
Analysis of the Escherichia coli CsdA-CsdE heterodimeric cysteine desulfurase, a new [Fe-S] biogenesis system.
Journal of Biological Chemistry, 2005, 280: 26760-26769

Loiseau L, Ollagnier de Choudens S, Nachin L, Fontecave M and Barras F
Biogenesis of Fe-S cluster by the bacterial Suf system: SufS and SufE form a new type of cysteine desulfurase.
Journal of Biological Chemistry, 2003, 278: 28352-28359

Ollagnier de Choudens S, Sanakis Y, Loiseau L, Nachin L, Barras F and Fontecave M
SufA from Erwinia chrysanthemi: Characterization of a scaffold protein required for iron-sulfur cluster assembly.
Journal of Biological Chemistry, 2003, 278: 17993-18001

Ollagnier de Choudens S, Mattioli T, Takahashi Y and Fontecave M
Iron-sulfur cluster assembly: Characterization of IscA and evidence for a specific and functional complex with ferredoxin.
Journal of Biological Chemistry, 2001, 276: 22604-22607


Livres
Puccio H and Ollagnier de Choudens S
Iron-sulfur cluster assembly in bacteria and eukarya using the ISC biosynthesis machinery Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry, 2017 In ‘Metalloprotein Active Site Assembly’, edited by Michael K. Johnson and Robert A. Scott. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd, pp. 1-19.

Barras F and Ollagnier de Choudens S
Genetic, biochemical and biophysical methods for studying Fe-S proteins and their assembly Meth. Enzymol. 2017, Vol 595, Edited by Sheila S. David, pp. 1-32.