Etude de l'assemblage de la NADPH oxydase du phagocyte

par Gilda Karimi

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Tania Bizouarn et de Chantal Houée Levin.

Soutenue le 04-02-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de chimie physique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Oliver Nüsse.

Le jury était composé de Tania Bizouarn, Chantal Houée Levin, Oliver Nüsse, Gilles Truan, Anja Krieger-Liszkay, Marie-Claire Dagher.

Les rapporteurs étaient Gilles Truan, Anja Krieger-Liszkay.


  • Résumé

    La NADPH oxydase du phagocyte est une enzyme impliquée dans la défense immunitaire contre les pathogènes. Après activation du phagocyte, cette enzyme produit des ions superoxyde par réduction du dioxygène par le NADPH. Elle est constituée de quatre sous- unités cytosolubles (p47phox ; p67phox ; p40phox et Rac), et deux membranaires (gp91 ; p22phox). Son activation fait intervenir un processus complexe qui met en jeu des changements d’interaction entre les protéines la constituant et qui permet l’assemblage des six sous- unités. Afin d’obtenir des informations sur les processus d’assemblage et d’activation, j’ai reconstitué le complexe dans un système cell free à l’aide de protéines recombinantes pour pouvoir contrôler tous les paramètres. Dans ce travail nous avons comparé les modes d’activation de p47phox par phosphorylation, par mutation substitutionelle sérine - aspartate en position S303,S304 et S328 pour mimer la phosphorylation et enfin par addition d’acide arachidonique (AA) activateur connu de l’enzyme in vitro mais aussi in vivo. Bien qu’il ai été montré que ces trois méthodes ouvrent la protéine vers une conformation ayant des propriétés similaires, nous avons trouvé que les effets de ces méthodes d’activation sont significativement différents. Ainsi, les changement de conformation observés par dichroisme circulaire, sont dissemblables. Pour p47phox, l’addition de AA déstructure la protéine. La phosphorylation induit un déplacement bathochrome des bandes de CD qualitativement similaire, alors que les mutations S-D de p47phox provoquent un déplacement opposé. Pour le complexe p47phox-p67phox l’addition d’AA destructure le mélange tandis que la mutation induit relativement peu de changement. Nous avons mesuré les constantes de dissociation Kd du complexe p47phox-p67phox. Alors que pour les protéines « sauvages », le Kd est faible (4±2 nM), les mutations de p47phox ainsi que l’addition d’AA augmentent cette valeur jusqu’à environ 50 nM, montrant une diminution de l’affinité entre p47phox-p67phox. De même, sur le complexe entier, l’effet de la phosphorylation de p47phox est différent de la mutation. Nous avons mesuré les valeurs de EC50 relatives à p67phox pour les différentes formes de p47phox. L’activation de p47phox par phosphorylation diminue l’EC₅₀, alors que les doubles ou triple mutations augmentent sa valeur. Nous avons confirmé que la phosphorylation et la mutation sont insuffisantes pour activer l’enzyme. La présence de AA est indispensable pour le fonctionnement du complexe. L’ordre de fixation des sous unités cytosoliques semble indifférent mais il faut que tous les composants soient présents lors de l’ajout de AA. Enfin, la délétion de p47phox dans la partie C-terminale (aa 343 à 390, domaine d’interaction avec p67phox) il n’y a plus de formation du dimère mais l’enzyme fonctionne normalement. Ces résultats apportent des éléments nouveaux sur le rôle de la dimérisation p47 phox-p67 phox, non indispensable à l’activité du système et sur le rôle mineur de la phosphorylation dans l’activation de la NADPH oxydase in vitro.

  • Titre traduit

    Study of the phagocyte NADPH oxidase assembly


  • Résumé

    The NADPH oxidase of phagocytes is an enzyme involved in the innate defense of organisms against pathogens. After phagocyte activation, this enzyme produces superoxide ions by reduction of dioxygen by NADPH. It is constituted of four cytosolic sub-units (p47phox ; p67phox ; p40phox et Rac) and two membrane proteins (gp91 ; p22phox). Its activation takes place through a complex process that involves protein-protein interaction changes leading to assembly and functionning of the catalytic core. In order to obtain information on this process, I have reconstituted the enzyme in a cell free systeme using recombinant proteins, to be able to fully control all the measurement conditions. In this work, we have compared different activation modes of p47phox i) phosphorylation; ii) substitution serine - aspartate by mutations at positions S303, S304 and S328 to mimic phosphorylation; iii) addition of arachidonic acid (AA), a well known activator molecule in vitro. It has been shown that these three activating methods transform p47phox to an open configuration with similar characteristics. However, we have found that the effects of these methods are significantly different. Indeed, the conformational changes observed by circular dichroism are different. For p47phox, the addition of AA destructures the protein. Its phosphorylation induces a bathochromic displacement of the bands, whereas the mutations S-D lead to an opposite displacement. For the dimer p47phox-p67phox , the addition of AA destructures the proteins while mutations induce hardly no changes. We have measured the dissociation constant Kd of the complex p47phox-p67phox. For wild type proteins, Kd value is low (4±2 nM), while mutations of p47phox as well as addition of AA increase its value up to 50 nM, showing a decrease of affinity between p47phox and p67phox. Moreover, on the whole complex, the effect of phosphorylation of p47phox is different from mutations. We have shown that the EC50 values relative to p67phox are sensitive to the various modifications of p47phox. Phosphorylation of p47phox decreases EC₅₀, while double or triple mutations increase its value. We have confirmed that phosphorylation and mutation are not sufficient to activate the enzyme. The presence of AA is a prerequisite for the functionning of the complex, i.e. production of superoxide. The binding order of the cytosolic proteins seems random but it is necessary that all the components be present during the activation by AA. Finally, deletion of the C terminal part of p47phox (aa 343 to 390, interaction domain with p67phox) leads to the absence of dimer formation but does not affect the enzyme activity. These results bring new information on the role of dimerisation of p47-p67 and on that of phosphorylation in the activation of NADPH oxidase in vitro.


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