Les interactions protéine-protéine (PPIs) et les assemblages supramoléculaires sont essentiels pour les fonctions des cellules vivantes. Ils jouent un rôle important dans un certain nombre de fonctions biologiques, comme la transduction de signaux, la communication entre cellules, la transcription, la réplication ou le transport membranaire. La détermination et la caractérisation de telles interfaces restent un défi en biologie structurale. Cependant, les progrès dans le développement de méthodes computationnelles et la puissance des ressources informatiques disponibles de nos jours ont permis une amélioration considérable de la précision des prédictions in silico des modèles tri-dimensionnels d’assemblages protéiques.
Dans le cadre de cette thèse, l’objectif était de prédire la structure d’un assemblage supramoléculaire, appelé métabolon Ubi, impliqué dans la voie de biosynthèse de l’ubiquinone (UQ8) dans Escherichia coli. L’ubiquinone est un prénol possédant des propriétés oxydo-réductrices, localisé dans les membranes, et très conservé à travers l’évolution mais également dans les différentes cellules des organismes. Elle est composée de deux parties principales, un groupe aromatique aux propriétés oxydo-réductrices, appelé quinone ou tête polaire, et une queue polyisoprénoide qui est de nature hydrophobe. Dans le cadre de cette étude, ce sont les dernières étapes de la voie de biosynthèse, notamment les modifications (méthylations et hydroxylations) de la tête polaire, qui nous intéressent. Ces réactions ont lieu au sein du métabolon Ubi. Ce dernier est constitué de sept protéines différentes (UbiE, UbiG, UbiF, UbiH, UbiI, UbiJ, UbiK) catalysant six réactions enzymatiques consécutives.
Dans ce travail, nous avons cherché à prédire la structure du métabolon et nous avons ainsi été capable de proposer un sous-ensemble protéique que nous avons nommé "sous-unité centrale". Cette sous-unité comprend l’ensemble des partenaires et pourrait être biologiquement fonctionnelle. En parallèle, une étude a été menée sur l’hétérotrimère UbiJ-UbiK2, une brique moléculaire essentielle du métabolon Ubi. Un modèle tri-dimensionnel de UbiJ-UbiK2 a été proposé. A l’aide d’une étude par modélisation multi-échelles, il a pu être montré qu’il pouvait être impliqué dans le relargage de l’ubiquinone au sein des membranes. Enfin, la dernière partie de ce travail a porté sur l’étude du comportement d’une famille particulière d’enzymes, les mono-oxygénases à flavine de classe A, à laquelle appartiennent UbiF, UbiH et UbiI. Une étude comparative entre une enzyme modèle de cette famille enzymatique, appelée PHBH, et UbiI a été réalisée et concluant à la nécessité d’interactions avec des partenaires, permettant de stabiliser ces protéines au sein du métabolon Ubi.
L’ensemble de ces travaux, et des hypothèses proposées, permet d’apporter un regard nouveau sur l’organisation supramoléculaire du métabolon Ubi, tant au niveau structural que fonctionnel. Ainsi, nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour leur étude expérimentale. |
Protein-protein interactions (PPIs) and supramolecular assemblies are essential for the functions of living cells. They play an important role in various biological functions, such as signal transduction, cell-cell communication, transcription, replication and membrane transport. Determining and characterizing such interfaces remains a challenge in structural biology. However, advances in the development of computational methods and the power of the computing resources available today have led to a considerable improvement in the accuracy of in silico predictions of three-dimensional models of protein assemblies.
In this thesis, the aim was to predict the structure of a supramolecular assembly, called the Ubi metabolon, involved in the ubiquinone (UQ8) biosynthesis pathway in Escherichia coli. Ubiquinone is a prenol with oxido-reducing properties, localized in membranes, and highly conserved throughout evolution but also in different cells of organisms. It is composed of two main parts, an aromatic group with oxido-reducing properties, known as quinone or polar head, and a polyisoprenoid tail which is hydrophobic in nature. In this study, we are interested in the final stages of the biosynthetic pathway, in particular the modifications (methylations and hydroxylations) of the polar head. These reactions take place within the Ubi metabolon. The latter is made up of seven different proteins (UbiE, UbiG, UbiF, UbiH, UbiI, UbiJ, UbiK) catalysing six consecutive enzymatic reactions.
In this work, we sought to predict the structure of the metabolon and were thus able to propose a protein subset that we called the 'core subunit'. This sub-unit includes all the partners and could be biologically functional. In parallel, a study was carried out on the UbiJ-UbiK2 heterotrimer, an essential molecular brick of the Ubi metabolon. A three-dimensional model of UbiJ-UbiK2 was proposed. Using a multi-scale modelling study, it was shown that it could be involved in the release of ubiquinone from membranes. Finally, the last part of this work focused on studying the behavior of a particular family of enzymes, the class A flavin mono-oxygenases, to which UbiF, UbiH and UbiI belong. A comparative study between a representative enzyme from this family, called PHBH, and UbiI was carried out, concluding that interactions with partners were necessary to stabilize these proteins within the Ubi metabolon.
Taken together, this work and the proposed hypotheses provide a new insight into the supramolecular organization of the Ubi metabolon, both structurally and functionally. Our results open up new prospects for their experimental study. |