Biosynthèse des quinones (Fabien Pierrel, Ludovic Pelosi, Ivan Junier, Sophie Abby)

     Nous combinons des approches de biochimie, génétique et de biologie de l’évolution sur des micro-organismes modèles pour obtenir une compréhension moléculaire de la biosynthèse et fonction des quinones isoprénoïdes. Ces quinones sont essentielles au fonctionnement des chaines respiratoires qui génèrent la majorité de l’énergie des cellules eucaryotes et de nombreuses bactéries via un gradient de protons utilisé par l’ATP synthase pour  produire l’ATP (Figure 1).  Ainsi, les dysfonctionnements du métabolisme respiratoire ont de sérieuses conséquences sur le fonctionnement des cellules et conduisent à des maladies mitochondriales chez l’homme.  

Figure 1: Chaines respiratoires bactériennes (A) et mitochondriales (B).  Les quinones (Q and (D)MK) transfèrent des électrons (flèches) entre les enzymes respiratoires qui génèrent un gradient de protons utilisé par l’ATP synthase pour générer l’ATP.  

 

    Les eucaryotes possèdent uniquement l’ubiquinone, également appelée coenzyme Q (Q), alors que la plupart des protéobactéries contiennent à la fois Q et des ménaquinones ((D)MK). Bien que le coenzyme Q ait été découvert il y a près de 60 ans, plusieurs aspects de sa biosynthèse restent obscurs, notamment l’identité des enzymes catalysant certaines réactions. Nous développons actuellement les trois projets de recherche suivants:   

 

1) Identification et caractérisation des gènes du métabolisme du coenzyme Q:  

Figure 2: Voies de biosynthèse du coenzyme Q chez E. coli (noms des protéines en bleu) et chez S. cerevisiae (en noir), n=6-8.  Les contributions significatives de notre groupe sont en rouge.  Coq8, UbiJ et UbiK participent à la biosynthèse de Q sans catalyser de réactions chimiques. 4-HB, acide 4-hydroxybenzoïque et VA, acide vanillique.

 

 

      Au cours des 8 dernières années, nous avons identifié de nouveaux gènes impliqués dans la biosynthèse de Q et révéler la fonction moléculaire de certains chez les organismes modèles tels que la levure Saccharomyces cerevisiae et les gamma-protéobactéries Escherichia coli and Salmonella typhimurium (1-5) (Figure 2). Chez cette dernière, nous avons montré que Q était important pour la prolifération dans les macrophages, ce qui suggère que la voie de biosynthèse de Q pourrait être une cible antibactérienne (3).

    Chez S. cerevisiae, nous avons découvert que des analogues synthétiques de l’acide 4-hydroxybenzoïque, le précurseur de Q, peuvent entrer dans la voie de biosynthèse. Ces molécules peuvent complémenter des déficiences en Q liées l’inactivation de certaines réactions d’hydroxylation (6-7) (Figure 3). Ces résultats ont ouvert de nouvelles perspectives pour le traitement des déficiences primaire en coenzyme Q chez l’homme (8-9).

 

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Figure 3: Restauration de la biosynthèse de Q par l’acide vanillique (un analogue synthétique du 4-HB, le substrat endogène) dans des cellules de S. cerevisiae comportant des mutations du gène coq6.

 

2) Régulation et organisation supramoléculaire de la biosynthèse de Q chez E. coli  

Ce projet est mené en collaboration avec les groupes de Frédéric Barras (Marseille) et Marc Fontecave (Paris) dans la cadre d’un financement de l’Agence Nationale de la Recherche  (projet “(An)aeroUbi“, numéro ANR-15-CE11-0001).

      E. coli est une protéo-bactérie anaérobie facultative qui peut croître en conditions aérobies ou anaérobies (absence de dioxygène). Q est impliqué dans le métabolisme aérobie mais est également synthétisé en conditions anaérobies par une voie qui est seulement partiellement élucidée. Les objectifs de ce projet sont:

  • D’identifier les gènes impliqués dans la biosynthèse anaérobie du coenzyme Q et de comprendre leur évolution chez les protéobactéries en lien avec leur niche écologique.
  • De caractériser les protéines qui participent à de nouvelles réactions d’hydroxylation aromatiques indépendantes du cofacteur à molybdène et du dioxygène.
  • D’établir que la biosynthèse de Q en condition aérobie dépend d’un complexe multiprotéique et de définir le rôle des protéines UbiJ et UbiK que nous avons récemment identifiées (3-10).

Cette caractérisation de l’organisation supramoléculaire et de la dynamique de la biosynthèse de Q en réponse à des variations de la tension d’oxygène améliorera notre compréhension des métabolismes micro-aérobiques et anaérobiques des protéobactéries dont plusieurs sont pathogènes.

 

3) Evolution de la régio-sélectivité des hydroxylases de la voie de biosynthèse de Q chez les protéobactéries

Ce projet est développé en collaboration avec Ivan Junier et Sophie Abby de l’équipe GEM.

    Nous avons récemment découvert deux nouvelles clades d’hydroxylases impliquées dans la biosynthèse de Q (UbiM and UbiL) (Figure 4) et montré que les protéobactéries ont évolué différemment pour catalyser les trois réactions d’hydroxylation nécessaires à la biosynthèse de Q: certaines bactéries possède une seule hydroxylase avec une régio-sélectivité large (qui peut hydroxyler plusieurs positions du noyau aromatique), alors que d’autres possèdent trois hydroxylases régio-sélectives (qui hydroxylent chacune une position spécifique) (11).

Nous réalisons actuellement l’analyse et la clusterisation des séquences d’hydroxylases de la biosynthèse de Q de tous les génomes protéobactériens disponibles afin d’identifier les motifs liés à la régio-sélectivité et ainsi comprendre l’évolution moléculaire de ces enzymes. 

 

Figure 4: Phylogénie des hydroxylases de la biosynthèse de Q chez les α, β et γ protéobactéries (rose, vert et bleu, respectivement).

 

Emplois et stages:
      Venez travailler avec nous dans une atmosphère conviviale et productive. Nous sommes toujours prêts à travailler avec des étudiants et des post-docs motivés et intéressés par la biochimie, le métabolisme et l’évolution. Quel que soit le projet qui vous tente, contactez Fabien ou Ludovic par email(fabien.pierrel [at] univ-grenoble-alpes.fr ou ludovic.pelosi [at] univ-grenoble-alpes.fr)

Adaptation de la composition lipidique des membranes bactériennes (Corinne Mercier)

     Comprendre comment des bactéries pathogènes telles que Pseudomonas aeruginosa (responsable d’infections pulmonaires liées à la mucoviscidose) ou Escherichia coli (responsable d’infections digestives et urinaires) s’adaptent à leur environnement, constitue un défi majeur pour la mise au point de nouveaux antibiotiques. L’homéostasie et la dynamique membranaire sont des mécanismes essentiels à la survie bactérienne et un axe de recherche sous-étudié. Nous nous intéressons à la façon dont ces bactéries réagissent à un changement environnemental en adaptant la composition lipidique de leurs membranes (approches lipidomiques) et recherchons les mutations qui ont conduit à ces adaptations (approches génétiques, cellulaires et biochimiques) afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Ce projet qui, pour la 1ère fois, pose la question des mécanismes dans la dynamique des lipides membranaires chez ces pathogènes versatiles en réponse à l’environnement et en relation avec leur virulence, aura des retombées tant fondamentales que cliniques.

Publications sélectionnées:

1.            Payet, L. A., Leroux, M., Willison, J. C., Kihara, A., Pelosi, L., and Pierrel, F. (2016) Mechanistic Details of Early Steps in Coenzyme Q Biosynthesis Pathway in Yeast. Cell Chem Biol 23, 1241-1250

2.            Ozeir, M., Pelosi, L., Ismail, A., Mellot-Draznieks, C., Fontecave, M., and Pierrel, F. (2015) Coq6 Is Responsible for the C4-deamination Reaction in Coenzyme Q Biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae. J. Biol. Chem. 290, 24140-24151

3.            Aussel, L., Loiseau, L., Hajj Chehade, M., Pocachard, B., Fontecave, M., Pierrel, F., and Barras, F. (2014) ubiJ, a New Gene Required for Aerobic Growth and Proliferation in Macrophage, Is Involved in Coenzyme Q Biosynthesis in Escherichia coli and Salmonella enterica Serovar Typhimurium. J. Bacteriol. 196, 70-79

4.            Hajj Chehade, M., Loiseau, L., Lombard, M., Pecqueur, L., Ismail, A., Smadja, M., Golinelli-Pimpaneau, B., Mellot-Draznieks, C., Hamelin, O., Aussel, L., Kieffer-Jaquinod, S., Labessan, N., Barras, F., Fontecave, M., and Pierrel, F. (2013) ubiI, a New Gene in Escherichia coli Coenzyme Q Biosynthesis, Is Involved in Aerobic C5-hydroxylation. J. Biol. Chem. 288, 20085-20092

5.            Pierrel, F., Hamelin, O., Douki, T., Kieffer-Jaquinod, S., Muhlenhoff, U., Ozeir, M., Lill, R., and Fontecave, M. (2010) Involvement of mitochondrial ferredoxin and para-aminobenzoic acid in yeast coenzyme Q biosynthesis. Chem. Biol. 17, 449-459

6.            Xie, L. X., Ozeir, M., Tang, J. Y., Chen, J. Y., Kieffer-Jaquinod, S., Fontecave, M., Clarke, C. F., and Pierrel, F. (2012) Over-expression of the Coq8 kinase in Saccharomyces cerevisiae coq null mutants allows for accumulation of diagnostic intermediates of the Coenzyme Q6 biosynthetic pathway. J. Biol. Chem. 287, 23571-23581

7.            Ozeir, M., Muhlenhoff, U., Webert, H., Lill, R., Fontecave, M., and Pierrel, F. (2011) Coenzyme Q biosynthesis: Coq6 Is required for the C5-hydroxylation reaction and substrate analogs rescue Coq6 deficiency. Chem. Biol. 18, 1134-1142

8.            Doimo, M., Trevisson, E., Airik, R., Bergdoll, M., Santos-Ocana, C., Hildebrandt, F., Navas, P., Pierrel, F., and Salviati, L. (2014) Effect of vanillic acid on COQ6 mutants identified in patients with coenzyme Q deficiency. Biochim. Biophys. Acta 1842, 1-6

9.            Pierrel, F. (2017) Impact of Chemical Analogs of 4-Hydroxybenzoic Acid on Coenzyme Q Biosynthesis: From Inhibition to Bypass of Coenzyme Q Deficiency. Frontiers in Physiology 8

10.          Loiseau, L., Fyfe, C., Aussel, L., Hajj Chehade, M., Hernandez, S. B., Faivre, B., Hamdane, D., Mellot-Draznieks, C., Rascalou, B., Pelosi, L., Velours, C., Cornu, D., Lombard, M., Casadesus, J., Pierrel, F., Fontecave, M., and Barras, F. (2017) The UbiK protein is an accessory factor necessary for bacterial ubiquinone (UQ) biosynthesis and forms a complex with the UQ biogenesis factor UbiJ. J. Biol. Chem. 292, 11937-11950

11.          Pelosi, L., Ducluzeau, A. L., Loiseau, L., Barras, F., Schneider, D., Junier, I., and Pierrel, F. (2016) Evolution of Ubiquinone Biosynthesis: Multiple Proteobacterial Enzymes with Various Regioselectivities To Catalyze Three Contiguous Aromatic Hydroxylation Reactions. mSystems 1, e00091-00016