Étude des machineries ancestrales de biogenèse des clusters fer-soufre, MIS et SMS

Les clusters fer-soufre (Fe-S) sont des cofacteurs anciens et essentiels en biologie, impliqués dans des processus tels que la respiration, la réparation de l'ADN et la catalyse enzymatique. Leur biosynthèse est assurée par des systèmes protéiques spécialisés, principalement ISC (Iron-Sulfur Cluster), NIF (Nitrogen Fixation) et SUF (Sulfur Utilization), traditionnellement considérés comme des adaptations apparues à la suite du Grand Événement d'Oxydation (GOE) il y a environ 2,4 milliards d'années. Cet événement, marquant l'entrée de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre, a réduit la disponibilité du fer et accru le stress oxydatif, favorisant ainsi l'émergence de voies de biosynthèse (Fe-S) plus robustes. Des études phylogénomiques récentes remettent en question cette hypothèse en révélant l'existence de deux systèmes minimaux ancestraux : MIS (Minimal Iron Sulfur system) et SMS (SUF-like Minimal System), présents chez divers procaryotes. Ces systèmes représenteraient des versions simplifiées et anciennes des machineries actuelles de biosynthèse (Fe-S), et leur présence probable chez le Dernier Ancêtre Commun Universel (LUCA) suggère que la formation des clusters (Fe-S) précède l'apparition de la photosynthèse oxygénique, constituant un élément fondamental du métabolisme primitif dans un environnement anoxique et riche en sulfures. Nous avons étudié le système SMS issu de l'archée hyperthermophile Methanocaldococcus jannaschii, composé de deux protéines : SmsC et SmsB. Nous avons reconstitué le hétérotétramère SmsC2B2 et montré qu'il assemble un unique cluster (4Fe-4S) sur une seule sous-unité SmsC via une boucle C-terminale flexible. Grâce à la cristallographie aux rayons X et à la cryo-microscopie électronique, nous avons résolu la structure du complexe holo et identifié trois cystéines (C218, C239, C242) comme ligands du cluster. Les analyses biochimiques ont révélé que la liaison de l'ATP et la coordination du cluster (Fe-S) sont mutuellement exclusives, suggérant un mécanisme coordonné dans lequel le statut énergétique influence l'assemblage du cluster. La liaison de l'ATP induit des changements conformationnels et la dimérisation de SmsC, tandis que la liaison du cluster induit une asymétrie à l'interface du dimère. Des tests de complémentation in vivo dans une souche d'E. coli dépourvue des systèmes ISC et SUF ont montré que le système SMS est capable de soutenir la biosynthèse anaérobie des clusters (Fe-S) en utilisant le sulfure comme donneur de soufre. Nous avons également initié la recherche de partenaires d'interaction du système SMS, incluant des protéines carriers et des apo-cibles telles que des primases, afin de comprendre comment ce système minimal s'intègre au métabolisme cellulaire et assure la livraison des clusters in vivo. Un travail complémentaire a été mené sur le système MIS, centré sur ses propriétés biochimiques et sa capacité fonctionnelle à remplacer le système ISC d'E. coli. Les essais de complémentation réalisés dans des mutants isc n'ont pas permis de démontrer une activité de substitution du système MIS. Dans l'ensemble, ces travaux enrichissent notre compréhension de l'origine et de la diversification de la biosynthèse des clusters (Fe-S), et suggèrent que les premières formes de vie possédaient déjà des capacités métaboliques remarquablement sophistiquées, bien avant l'apparition de l'oxygène.