Etudes structurales de pompe anionique cyanobactérienne

Structural studies of cyanobacterial anion pump

• Auteur / Autrice : Roman Astashkin
• Direction : Valentin Gordeliy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 24/01/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Marc Jamin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ekaterina Round, Johann P. Klare
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martin Engelhard, Victor Sourjik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport biologique

Membranes échangeuses d'ions

Mots clés libres

Optique

Biophysique

Biologie struturale

Protéines membranaires

Structural biology

Biophysics

Optics

Membrane proteins

Résumé

Le transport des ions à travers la membrane cellulaire est un processus essentiel pour les cellules vivantes. Le transport actif des ions est assuré par divers transporteurs d'ions, dont les rhodopsines microbiennes (MR). Les rhodopsines microbiennes sont des protéines membranaires lumineuses qui peuvent remplir diverses fonctions telles que le pompage de protons ou d'ions, la photodétection, la canalisation des ions et autres. Les pompes à ions Les MR sont connues pour être capables de pomper divers ions monovalents tels que Na+, K+, Cl-, I-. Cependant, jusqu'à récemment, aucune rhodopsine microbienne n'était connue capable de pomper des ions divalents.En 2017, la première rhodopsine microbienne capable de pomper des ions divalents a été décrite. Il s'agit de la rhodopsine de la cyanobactérie Synechocystis sp. PCC 7509 appelé Synechocystis halorhodopsin ou SyHR. Cette protéine appartient à la famille des pompes à anions cyanobactériennes. C'est une pompe à chlorure avec une capacité unique à pomper le sulfate en l'absence de chlorure.Dans cette thèse, l'auteur a obtenu pour la première fois des structures tridimensionnelles à haute résolution de différents états de cette protéine. Il existe une forme liée au chlorure, une forme liée au sulfate et deux structures d'états actifs : O et vraisemblablement K. Les quatre structures ont une résolution meilleure que la résolution 2,0 Å. Les résultats obtenus donnent un aperçu de la capacité unique de cette protéine à pomper des ions divalents. De plus, les structures des états actifs expliquent le mécanisme moléculaire du transport du chlorure dans les pompes à anions cyanobactériennes. Ce mécanisme est incroyablement similaire aux halorhodopsines archéennes, malgré le fait que ces deux groupes de MR ne sont pas les plus proches parents. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les principes moléculaires du transport d'ions par les pompes à anions cyanobactériennes et supposent que les protéines de cette famille peuvent devenir des outils prometteurs pour l'optogénétique.

Ion transport across the cell membrane is an essential process for living cells. Active transport of ions is carried out by various ion transporters, including microbial rhodopsins (MRs).Microbial rhodopsins are light-driven membrane proteins that can perform various functions such as proton or ion pumping, photo-sensing, ion channeling, and others. Ion pumps MRs are known to be able to pump various monovalent ions such as Na+, K+, Cl-, I-. However, until recently, no microbial rhodopsin was known capable of pumping divalent ions.In 2017 first microbial rhodopsin able to pump divalent ions was described. It is rhodopsin from cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 7509 called Synechocystis halorhodopsin or SyHR. This protein belongs to the family of cyanobacterial anion pumps. It is a chloride pump with a unique ability to pump sulfate in the absence of chloride.In this thesis, the author obtained high-resolution three-dimensional structures of different states of this protein for the first time. There are chloride-bound form, sulfate-bound form, and two structures of active states: O and presumably K. All four structures have resolution better than 2.0 Å resolution. Obtained results give insights into the unique ability of this protein to pump divalent ions. In addition, the structures of active states explain the molecular mechanism of chloride transport in cyanobacterial anion pumps. This mechanism is incredibly similar to archaeal halorhodopsins, despite the fact that these two groups of MRs are not the closest relatives.The results obtained make it possible to understand better the molecular principles of ion transport by cyanobacterial anion pumps and assume that proteins from this family can become promising tools for optogenetics.