Etude de la dynamique des domaines de la NADPH-cytochrome P450 réductase humaine

Dynamics of domains in human cytochrome P450 NADPH reductase

• Auteur / Autrice : Fataneh Fatemi
• Direction : Ewen Lescop, Gilles Truan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des protéines et cibles thérapeutiques
• Date : Soutenance le 21/06/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Innovation Thérapeutique : du Fondamental à l'Appliqué (Châtenay-Malabry, Haut-de-Seine ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des substances naturelles (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1959-....) - Centre de génétique moléculaire (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Minard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ewen Lescop, Gilles Truan, Philippe Minard, Marie-Agnès Sari, Michel Dion, Dominique Marion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Agnès Sari, Michel Dion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique enzymatique

Protéines -- Conformation

Mots clés libres

NADPH cytochrome P450 réductase

CPR

Transfert d'électrons

Dynamique des domaines

Changement conformationnel

État verrouillé

Force ionique

État déverrouillé

Modèle cinétique

NADPH cytochrome P450 reductase

CPR

Electron transfer

Domain movement

Conformational change

Locked state

Ionic strength

Unlocked state

Kinetic model

Résumé

La NADPH cytochrome P450 réductase (CPR) est une flavoprotéine multidomaines appartenant à la famille des diflavines réductases et un des composants essentiels du système redox des cytochromes P450. La CPR est formée de deux domaines catalytiques contenant des groupements prosthétiques FAD et FMN et d'un domaine de connexion. Le domaine FAD reçoit deux électrons du NADPH et les transfère un par un au domaine FMN, qui, à son tour, les transfère aux accepteurs. Le transfert d’électron du FMN vers les accepteurs nécessite un déplacement du domaine FMN par rapport au reste de la molécule. Au fils des années, les études structurales menées sur la CPR ont mis en évidence la réorganisation structurale et l’arrangement des domaines dans cette protéine. Cependant, les résultats de ces analyses ne fournissent pas d’informations concernant la vitesse à laquelle les mouvements des domaines de la CPR s’effectuent et n’incluent toujours pas les paramètres qui induisent le changement conformationnel ainsi que l'influence de ces changements sur l’activité catalytique de la CPR.Le projet de cette thèse a consisté à apporter de nouveaux éléments de compréhension sur la relation entre les changements conformationnels de la CPR et son cycle catalytique. La première partie de ce travail a porté sur le développement de stratégies de préparation au marquage des domaines catalytiques de la CPR, destinés à l’étude dynamique de cette protéine par le FRET. Différentes stratégies ont été envisagées parmi lesquelles l’incorporation de p-acétyle phénylalanine sur des positions définies dans la CPR. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l’étude dynamique de la CPR via des techniques de RMN et SAXS combinées à des approches biochimiques. Les expériences menées ont permis de caractériser en solution et en absence de NaCl, la présence d’un état rigide, globulaire en conformation fermée dans laquelle les domaines FMN et FAD sont maintenus « verrouillés » par des interactions à l’interface entre ces deux domaines. L’augmentation de la concentration en NaCl permet une transition de cet état « verrouillé » vers un état plus ouvert pour lequel il n’y a plus d’interface entre les domaines FAD et FMN. L’état « déverrouillé » de la CPR correspond à un équilibre dynamique entre un ensemble de conformations en échange rapide. Cet équilibre est contrôlé par la force ionique et l’activité catalytique de la CPR est maximale lorsque les états verrouillés et déverrouillés sont également peuplés. Le modèle cinétique proposé par nos études a permis de mettre en évidence un lien direct entre la dynamique des domaines et l’activité du transfert d’électron au cours de cycle catalytique de la CPR.

NADPH cytochrome P450 reductase (CPR) is a multidomain flavoprotein that belongs to the diflavines reductase family. It is an essential component of redox system delivering electrons for cytochrome P450. CPR is composed of two catalytic domains containing FAD and FMN prosthetic groups and a connecting domain. FAD domain receives two electrons from NADPH and transfers them one by one to the FMN domain, which in turn transfers them to the acceptor. The electron transfer from FMN to the acceptor requires a large domain movement. Over the years, structural studies of CPR have highlighted the reorganization and arrangement of domains in this protein. However, the results of these analyses do not provide any information about how fast the domains movements takes place in CPR, and do not always include the parameters that induce conformational change as well as influence of those changes on the catalytic activity of the CPR. This thesis aims to bring new elements of comprehension on the relationship between conformational changes in CPR and its catalytic cycle. The first part of the work concerned the development of strategies to label the catalytic domains of CPR, a prerequisite for the dynamic study of this protein by FRET. Different strategies have been proposed including the incorporation of p-acetyl phenylalanine at defined positions in CPR. The second part of this work is devoted to the dynamic study of CPR through a combined SAXS, NMR and biochemical approaches. The experiments conducted allowed to characterize the presence of a rigid and globular state of closed conformation for CPR, in solution and in the absence of NaCl. In this conformation the FMN and FAD domains are kept "locked" by interface interactions between these two domains. Increasing the NaCl concentration permits the transition from the "locked" stats to an open conformation in which there is no more interface between the FAD and FMN domains. The "unlocked" state of CPR is a dynamic equilibrium between ensembles of conformations in fast exchange. This equilibrium is controlled by the ionic strength and CPR presents its maximum catalytic activity when the locked and unlocked states are equally populated. We proposed a kinetic model which allows demonstrating a direct link between the domain movement and electron transfer activity during the catalytic cycle of CPR.