Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Differential distribution of MAP1a and aldolase c in adult mouse cerebellum.

MAP1a is a microtubule-associated protein with an apparent molecular weight of 360 kDa that is found in the axonal and dendritic processes of neurons. Two monoclonal anti-MAP1a antibodies anti-A and anti-BW6, revealed different epitope distributions in the adult mouse cerebellum. Anti-A stained Purkinje and granule cells uniformly throughout the cerebellum. In contrast, anti-BW6 selectively stained the dendriites of a subset of Purkinje cells, revealing parasagittal bands of immunoreactivity in the molecular layer. The compartmentation of the BW6 epitope was compared to the Purkine cells as revealed by immunostaining with anti-zebrin II, a well known antigen expressed selectively by bands of Purkinje cells. The anti-BW6 staining pattern was complementary to the zebrin II bands, the zebrin II- Purkinjke cells having BW6+ dendrites. These results demonstrate that MAP1a is present in two forms in the mouse cerebellum, one of which is segregated into parasagittal bands. This may indicate a unique MAP1a isoform or may reflect differences in the metabolic states of Purkinje cell classes, and regional differences in their functions.

Structure d'une tagatose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : étude d'une apparente perte de stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Multifonctionnalité de l'aldolase glycolytique : mécanisme catalytique et interaction avec un peptide de la protéine du syndrome Wiskott-Aldrich

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Structure of 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate (KDPG) aldolase from Pseudomonas putida

2-Keto-3-deoxy-6-phosphogluconate (KDPG) aldolase from Pseudomonas putida is a key enzyme in the Entner-Doudoroff pathway which catalyses the cleavage of KDPG via a class I Schiff-base mechanism. The crystal structure of this enzyme has been refined to a crystallographic residual R = 17.1% (R-free = 21.4%). The N-terminal helix caps one side of the torus of the (betaalpha)(8)-barrel and the active site is located on the opposite, carboxylic side of the barrel. The Schiff-base-forming Lys145 is coordinated by a sulfate (or phosphate) ion and two solvent water molecules. The interactions that stabilize the trimer are predominantly hydrophobic, with the exception of the cyclically permuted bonds formed between Glu132 OE1 of one molecule and Thr129 OG1 of a symmetry-equivalent molecule. Except for the N-terminal helix, the structure of KDPG aldolase from P. putida closely resembles the structure of the homologous enzyme from Escherichia coli.

Structure- and Ligand-Based Structure-Activity Relationships for a Series of Inhibitors of Aldolase

Aldolase has emerged as a promising molecular target for the treatment of human African trypanosomiasis. Over the last years, due to the increasing number of patients infected with Trypanosoma brucei, there is an urgent need for new drugs to treat this neglected disease. In the present study, two-dimensional fragment-based quantitative-structure activity relationship (QSAR) models were generated for a series of inhibitors of aldolase. Through the application of leave-one-out and leave-many-out cross-validation procedures, significant correlation coefficients were obtained (r(2) = 0.98 and q(2) = 0.77) as an indication of the statistical internal and external consistency of the models. The best model was employed to predict pK(i) values for a series of test set compounds, and the predicted values were in good agreement with the experimental results, showing the power of the model for untested compounds. Moreover, structure-based molecular modeling studies were performed to investigate the binding mode of the inhibitors in the active site of the parasitic target enzyme. The structural and QSAR results provided useful molecular information for the design of new aldolase inhibitors within this structural class.

Structure-based drug design studies on a series of aldolase inhibitors

Human African trypanosomiasis, also known as sleeping sickness, is a major cause of death in Africa, and for which there are no safe and effective treatments available. The enzyme aldolase from Trypanosoma brucei is an attractive, validated target for drug development. A series of alkyl‑glycolamido and alkyl-monoglycolate derivatives was studied employing a combination of drug design approaches. Three-dimensional quantitative structure-activity relationships (3D QSAR) models were generated using the comparative molecular field analysis (CoMFA). Significant results were obtained for the best QSAR model (r2 = 0.95, non-cross-validated correlation coefficient, and q2 = 0.80, cross-validated correlation coefficient), indicating its predictive ability for untested compounds. The model was then used to predict values of the dependent variables (pKi) of an external test set,the predicted values were in good agreement with the experimental results. The integration of 3D QSAR, molecular docking and molecular dynamics simulations provided further insight into the structural basis for selective inhibition of the target enzyme.

Covalent intermediate trapped in 2-keto-3-deoxy-6- phosphogluconate (KDPG) aldolase structure at 1.95-Å resolution

2-Keto-3-deoxy-6-phosphogluconate (KDPG) aldolase catalyzes the reversible cleavage of KDPG to pyruvate and glyceraldehyde-3-phosphate. The enzyme is a class I aldolase whose reaction mechanism involves formation of Schiff base intermediates between Lys-133 and a keto substrate. A covalent adduct was trapped by flash freezing KDPG aldolase crystals soaked with 10 mM pyruvate in acidic conditions at pH 4.6. Structure determination to 1.95-Å resolution showed that pyruvate had undergone nucleophilic attack with Lys-133, forming a protonated carbinolamine intermediate, a functional Schiff base precursor, which was stabilized by hydrogen bonding with active site residues. Carbinolamine interaction with Glu-45 indicates general base catalysis of several rate steps. Stereospecific addition is ensured by aromatic interaction of Phe-135 with the pyruvate methyl group. In the native structure, Lys-133 donates all of its hydrogen bonds, indicating the presence of an ɛ-ammonium salt group. Nucleophilic activation is postulated to occur by proton transfer in the monoprotonated zwitterionic pair (Glu-45/Lys-133). Formation of the zwitterionic pair requires prior side chain rearrangement by protonated Lys-133 to displace a water molecule, hydrogen bonded to the zwitterionic residues.

Disruption of the aldolase A tetramer into catalytically active monomers.

The fructose-1,6-bisphosphate aldolase (EC 4.1.2.13) homotetramer has been destabilized by site-directed mutagenesis at the two different subunit interfaces. A double mutant aldolase, Q125D/E224A, sediments as two distinct species, characteristic of a slow equilibrium, with velocities expected for the monomer and tetramer. The aldolase monomer is shown to be catalytically active following isolation from sucrose density gradients. The isolated aldolase monomer had 72% of the specific activity of the wild-type enzyme and a slightly lower Michaelis constant, clearly indicating that the quaternary structure is not required for catalysis. Cross-linking of the isolated monomer confirmed that it does not rapidly reequilibrate with the tetramer following isolation. There was a substantial difference between the tetramer and monomer in their inactivation by urea. The stability toward both urea and thermal inactivation of these oligomeric variants suggests a role for the quaternary structure in maintaining the stability of aldolase, which may be an important role of quaternary structure in many proteins.

Recovery of respiration following the SOS response of Escherichia coli requires RecA-mediated induction of 2-keto-4-hydroxyglutarate aldolase.

Agents that damage DNA in Escherichia coli or interfere with its replication induce DNA repair and mutagenesis via the SOS response. This well-known activity is regulated by the RecA protein and the LexA repressor. Following repair or bypass of the DNA lesion, the cell returns to its resting state by a largely unknown process. We found that 2-keto-4-hydroxyglutarate aldolase (4-hydroxy-2-oxoglutarate aldolase; EC 4.1.3.16) is necessary for the recovery of respiration and that it is regulated by the SOS response. This protein was induced by DNA-damaging agents. Induction required RecA activation. When the LexA regulon was repressed, activation of RecA was not sufficient for induction, indicating the requirement for an additional protein under LexA control. Finally, a mutant in the corresponding hga gene was UV sensitive. 2-Keto-4-hydroxyglutarate aldolase also plays a role in respiratory metabolic pathways, which suggests a mechanism for respiration resumption during the termination of the SOS response.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Intermédiaires réactionnels de la fructose-1,6-biphosphate aldolase de Leishmania mexicana : comparaison avec l'enzyme de mammifère et recrutement de la région C-terminale

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Intermédiaires réactionnels de la fructose-1,6-biphosphate aldolase de Leishmania mexicana : comparaison avec l'enzyme de mammifère et recrutement de la région C-terminale

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.