Les thioltransférases, des agents doubles impliqués dans le métabolisme du sulfure d’hydrogène : de la catalyse aux rôles physiologiques

Thioltransferases, double agents involved in the hydrogen sulfide metabolism : from the catalysis to the physiological roles

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Lec
• Direction : Sandrine Boschi-Muller, François Talfournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 17/11/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Moléculaire, Cellulaire et Physiopathologie (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Corbier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Tellier, Hélène Munier-Lehmann, Fernando Rodrigues-Lima
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Tellier, Hélène Munier-Lehmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertations universitaires

Sulfurtransferases

Thiols

Teneur en soufre

Sulfures

Catalyse

Sulfure d'hydrogène

Enzymologie

Mots clés libres

H2S

Thioltransférases

Catalyse

Persulfure

Spécificités de substrats

H2S

Sulfurtransferases

Catalysis

Persulfide

Substrate specificities

Résumé

Les 3-mercaptopyruvate sulfurtransférases (3-MST) et les thiosulfate sulfurtransférases (TST) sont des enzymes ubiquitaires de la famille des thioltransférases à domaine rhodanèse qui catalysent le transfert d’un atome de soufre d’un substrat donneur vers un substrat accepteur via un intermédiaire Cys-persulfure. Les 3-MST sont impliquées dans la formation de sulfure d’hydrogène (H2S), un gazotransmetteur toxique à forte concentration, alors que les TST interviendraient dans son élimination. L’objectif de mon projet était de décrypter les mécanismes moléculaires impliquant ces thioltransférases afin de mieux comprendre leurs rôles physiologiques. Pour cela, le mécanisme catalytique et les spécificités de substrats des enzymes humaines (3-MST, TSTD1 et Rhodanèse) et d’Escherichia coli (3-MST et GlpE) ont été caractérisés grâce à la mise au point de méthodes spécifiques permettant l’étude de chacune des étapes du mécanisme (fluorescence, stopped-flow, sonde H2S) et par une étude des relations structure-fonction menée en collaboration pour les aspects chimie théorique et cristallographie RX. J’ai montré que le site actif de ces enzymes est adapté à la catalyse d’un transfert de S0 à partir de composés soufrés non activés. De plus, le mécanisme de formation de l’intermédiaire persulfure ne dépend pas de l’enzyme mais du substrat donneur. En effet, la rupture de la liaison C-S du 3-mercaptopyruvate requiert la déprotonation des fonctions thiols du substrat et de la Cys essentielle, fonction assurée par la boucle catalytique CysX5 qui constitue un véritable site de reconnaissance thiolate, et l’intervention concomitante d’une molécule d’eau comme catalyseur acide. En présence de thiosulfate, hormis l’activation de la Cys seule la neutralisation des charges négatives du substrat est indispensable à la réaction de transfert de soufre. Enfin, et de façon inattendue, la 3-MST humaine pourrait être impliquée dans l’élimination cytosolique du sulfite, un composé toxique pour les cellules. Quant aux deux TST mitochondriales humaines, elles pourraient intervenir à la fois dans la signalisation cellulaire H2S-dépendante, via la production d’espèces polysulfure, et dans l’élimination d’H2S

3-mercaptopyruvate sulfurtransferases (3-MSTs) and thiosulfate sulfurtransferases (TSTs) are ubiquitous enzymes that belong to the rhodanese sulfurtransferase family and catalyze the transfer of a sulfur atom from a donor to an acceptor substrate via a cysteine-persulfide intermediate. While 3-MSTs are involved in the biogenesis of hydrogen sulfide (H2S), a gasotransmitter known to be toxic at high concentration, TSTs are likely responsible of its degradation. My project mainly focused on deciphering the sulfurtransferase-dependent molecular mechanisms to better define their physiological functions. To address these questions, their catalytic mechanisms and substrate specificities were investigated. This was achieved through the development of kinetic approaches (fluorescence, stopped-flow, H2S specific probe) to study each step of the reaction catalyzed by human (3-MST, TSTD1 and Rhodanese) and Escherichia coli (3-MST, GlpE) enzymes and structure-function relationship studies performed in collaboration for the theoretical chemistry and the X-ray crystallography parts. Here, I show that the active site of these enzymes is optimized to perform an efficient S0 transfer from non-activated sulfur compounds. Moreover, the mechanisms leading to formation of the persulfide intermediate do not depend on the enzyme but rather on the donor substrate. Indeed, the cleavage of the carbon-sulfur bond of 3-mercaptopyruvate critically depends on the CysX5 catalytic loop acting as a thiolate hole to favor the deprotonation of the essential Cys and the substrate, and on a water-mediated protonation step. In the presence of thiosulfate, the Cys activation mode remains unchanged and the reaction of sulfur transfer is only driven by the neutralization of the negative charges of the substrate. In addition, we propose a new physiological function for the human 3-MST in the cytoplasmic elimination of sulfite, a toxic compound for the cells. Finally, the two human mitochondrial TSTs are likely to be involved in the H2S-mediated cellular signaling, through the formation of polysulfide entities, but also in H2S catabolism