Analyse du mécanisme d'action d'inhibiteurs ciblant l'activation allostérique du facteur œdématogène de Bacillus anthracis

Analysis of the mechanism of action of inhibitors targeting the allosteric activation of edema factor of Bacillus anthracis

• Auteur / Autrice : Irène Pitard
• Direction : Thérèse Malliavin, Pierre Goossens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Bio-Informatique structurale (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Lequin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Biot, Élodie Laine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Seifert, Sophie Zinn-Justin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récepteurs cellulaires

Calmoduline

Allostérie

Inhibiteurs

Toxines bactériennes

Thérapeutique

Charbon (maladie)

Bacillus anthracis

Mots clés libres

Anthrax

Bacillus cereus

Facteur oedémateux

Calmoduline

Inhibiteur allostérique

Biologie structurale

RMN

Dynamique moléculaire

Cristallographie

HDX-MS

Anthrax

Bacillus cereus

Edema factor

Calmodulin

Allosteric inhibition

Structural biology

NMR

Molecular dynamics

X-ray

HDX-MS

Résumé

Le facteur œdémateux (EF), une toxine majeure de Bacillus anthracis, est activé par la calmoduline de l’hôte (CaM) pour produire des concentrations supra physiologiques d'AMP cyclique (AMPc) conduisant à une perturbation des voies de signalisation. L'interaction EF-CaM induit des changements conformationnels dans une région switch allostérique de EF conduisant à la formation du site catalytique fonctionnel. Des études antérieures in silico ciblant cette région switch, complétées par des données expérimentales, ont montré que les uréidoacides thiophènes (TUA) inhibent l’activité enzymatique de EF. Cependant, les connaissances sur le site de liaison et sur l'interaction étaient manquantes. Nous présentons ici une étude de l'interaction du TUA-diCl, le composé le plus actif, avec les protéines EF, CaM et le complexe EF-CaM à l'aide d’essais biochimiques couplés à des méthodes biophysiques et de modélisations moléculaires. Le TUA-diCl interagit avec EF isolé, le complexe EF-CaM et de manière inattendue avec CaM. L’étude du site de liaison entre le composé TUA-diCl et la protéine CaM par RMN indique que le composé se lie aux patchs hydrophobes de CaM qui deviennent accessibles lorsque la CaM est complexée par les ions calciums. Ceci entraîne un compactage de la structure de CaM et des changements de la dynamique interne de la protéine. Les données enzymatiques, de fluorescence et de RMN montrent que l'inhibition d'EF est due à l'interaction du composé sur EF et ne dépend pas de la présence de CaM. Des expériences de compétition entre le TUA-diCl et l’inhibiteur du site catalytique EF 2’-MANT-3’-dATP, indiquent que TUA-diCl est un inhibiteur allostérique de EF. Les expériences HDX-MS ont révélé que le TUA-diCl se lierait au domaine hélicoïdal de EF, une région critique pour l'insertion de CaM. De plus, des approches in silico ont mis en évidence plusieurs sites de liaison possible dans le domaine hélicoïdal. Par conséquent, TUA-diCl représente une nouvelle classe d'inhibiteurs de EF avec un mécanisme d'action allostérique et ouvrant la voie vers la conception de molécules thérapeutiques innovantes.

Edema factor (EF), a major Bacillus anthracis toxin, is activated by host calmodulin (CaM) to produce supraphysiological concentrations of cyclic AMP (cAMP) thus perturbing intracellular signaling. The EF-CaM interaction induces conformational changes in an allosteric switch region of EF that lead to the formation of the catalytic site. Previous in silico studies targeting this switch region, complemented with experimental data, showed that thiophen ureidoacids (TUA) inhibit the enzyme catalytic activity. However, knowledge of the binding site and inhibition mode of TUA compounds are still lacking. Here, we characterize the interaction of the most active TUA compound (TUA-diCl) with EF, CaM and EF-CaM using biochemical assays coupled to biophysical methods and molecular modeling. We show that TUA-diCl interacts with EF, EF-CaM and unexpectedly with CaM. Mapping of the binding site by NMR, showed that TUA-diCl binds to the exposed hydrophobic patches of calcium loaded CaM, causing the compaction and changes in internal dynamics of the protein. Importantly, enzymatic, fluorescence and NMR data show that EF inhibition is due to the interaction of the compound with EF and is CaM-independent. Furthermore, competition experiments between TUA-diCl and the EF catalytic-site inhibitor 2’-MANT-3’-dATP, indicate that TUA-diCl is an allosteric inhibitor of EF. HDX-MS identifies a putative binding site of TUA-diCl on the helical domain of EF, a critical region for CaM insertion. Several possible binding pockets in the helical domain are analyzed in silico. TUA-diCl represents a new class of EF inhibitors with an allosteric mechanism, opening the way towards the design of innovative therapeutic compounds.