L'Élucidation de la Signalisation du Sulfure d'Hydrogène par Persulfidation

The Elucidation of Hydrogen Sulfide Signalling Through Persulfidation

• Auteur / Autrice : Emilia Kouroussis
• Direction : Miloš R. Filipovic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biochimie et génétique cellulaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Michel Toledano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miloš R. Filipovic, Michel Toledano, Marcus Conrad, Vsevolod V. Belousov, Isabelle Sagot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Toledano, Marcus Conrad, Vsevolod V. Belousov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cystéine

Protéomique

Sulfure d'hydrogène

Mots clés libres

Sulfure d’hydrogène

Persulfidation

Modification post-Traductionnelle oxydative

Protéomique

Thiol

Hydrogen sulphide

Persulfides

Oxidative post-Translational modification

Proteomics

Thiol

Résumé

Le sulfure d’hydrogène (H2S), auparavant considéré comme un gaz toxique, est aujourd’hui reconnu comme gazotransmetteur. De nombreuses études ont révélé le rôle de l’H2S en tant que molécule de signalisation redox contrôlant d’importantes fonctions physiologiques et pathologiques. Le mécanisme sous-jacent proposé pour expliquer ses effets est la persulfidation (P-SSH, aussi connue sous le nom de S-sulfhydration), une modification post-traductionnelle oxydative des thiols de résidus cystéines. La persulfidation des protéines est restée sous-étudiée en raison de son instabilité et de sa réactivité chimique similaire à celle d’autres modifications de la cystéine, faisant d’elle une modification très difficile à marquer sélectivement. De là, nous avons développé une nouvelle méthode chimiosélective en deux étapes, aisément adaptable à des applications diverses, pour la détection et le marquage des protéines persulfidées, connue sous le nom de méthode “Dimedone-switch”. Nous avons confirmé la cinétique et la sélectivité de la méthode, tout en montrant que la persulfidation des protéines est une modification conservée au cours de l’évolution et aussi contrôlée par l’H2S produit dans les voies de transsulfuration et de catabolisme de la cystéine. Nous avons adapté la méthode à une détection directe sur gel à différents organismes-modèles, à la microscopie à fluorescence, à une approche de antibody microarray et à l’analyse protéomique par spectrométrie de masse.Par la suite, nous avons étudié le rôle de l’H2S dans la signalisation redox via la persulfidation. Pour cela, nous avons étudié l’interconnexion entre P-SSH et les modifications séquentielles des thiols de cystéines, à savoir la sulfenylation (P-SOH), la sulfinylation (P-SO2H) et la sulfonylation (P-SO3H), formées lors de l’exposition au stress oxydatif (espèces réactives à l’oxygène). Nos études ont montré une corrélation directe entre P-SSH et ces modifications de manière temporelle et dose-dépendante. Nous avons observé un net décalage de phase dans la réponse entre les deux modifications de cystéines, P-SSH et P-SOH, qui mettent en évidence la présence de “vagues de protection” par la persulfidation des protéines. Couplés à des études mécanistiques montrant la réduction efficace de P-SSH par le système thiorédoxine, ces résultats suggèrent que la persulfidation des protéines est la voie principale par laquelle les acides sulféniques sont reconvertis en thiols originaux, et donc éliminés lors du stress oxydatif. A ce titre, nous avons proposé un mécanisme général (potentiel vestige des temps anciens où la vie a émergé et proliféré dans un environnement riche en H2S) dans lequel la persulfidation figure une boucle de sauvetage face à l’hyper-oxydation des cystéines et au dommage cellulaire oxydatif subséquent.De plus, dans le but de faire la lumière sur l’intérêt biologique de cette protection naturelle des persulfides, nous avons exploré une possible corrélation entre les niveaux de persulfides et le vieillissement. En nous appuyant sur la capacité des persulfides à piéger les oxydants qui s’accumulent, nous avons mené une série d’études visant à obtenir une meilleure compréhension du rôle de la voie de transsulfuration dans la résistance au stress et sur la durée de vie. Nous avons observé une corrélation directe entre la capacité à produire des persulfides et la résistance au stress oxydatif, ainsi qu’une diminution de la persulfidation au cours du vieillissement chez C.elegans, le rat et les cellules humaines

Hydrogen sulfide (H2S), originally considered a toxic gas, is now a recognised gasotransmitter. Numerous studies have revealed the role of H2S as a redox signalling molecule that controls important physiological/pathophysiological functions. The underlying mechanism postulated to serve as an explanation of these effects is protein persulfidation (P-SSH, also known as S-sulfhydration), an oxidative posttranslational modification of cysteine thiols. Protein persulfidation has remained understudied due to its instability and chemical reactivity similar to other cysteine modifications, making it very difficult to selectively label. Herein, we developed a novel, versatile, two-step chemoselective method for the detection and labelling of protein persulfides, called the Dimedone-switch method. We confirmed the method’s kinetics and selectivity, and showed that protein persulfidation is an evolutionarily conserved modification controlled by H¬2S generated by transsulfuration pathway and cysteine catabolism. We adapted the method for direct in-gel detection in different model organisms, fluorescence microscopy, antibody microarray approach and proteomic analysis by mass spectroscopy.Next, we studied the role of H¬2S in redox signaling through persulfidation. To do this we investigated the interconnection between P-SSH and the sequential modifications of cysteine thiols, sulfenylation (P-SOH), sulfinylation (P-SO2H) and sulfonylation (P-SO3H), formed when exposed to oxidative stress (reactive oxygen species). Our studies showed a direct correlation between P-SSH and these modifications in a time- and dose- dependent manner. We observed a clear phase shifted response between the two cysteine modifications, P-SSH and P-SOH, revealing the presence of ‘protective waves’ of protein persulfidation. Coupled with mechanistic studies showing the efficient reduction of P-SSH by the thioredoxin system, these results suggest that protein persulfidation is the main pathway by which sulfenic acids are resolved under oxidative stress. As such, we proposed a general mechanism (potentially an evolutionary remnant of the times when life emerged and flourished in a H2S environment) in which persulfidation represents a rescue loop from cysteine overoxidation and subsequent oxidative cellular damage.Furthermore, in order to shed light on the biological relevance of this protective nature of persulfides, we explored a possible correlation between persulfide levels and aging. This was explored through a range of studies, from the persulfide’s chemical ability to scavenge the build-up of oxidants, to gaining a better understanding of the role of transsulfuration pathway in stress resistance and lifespan. We observed a direct correlation between ability to make persulfides and oxidative stress resistance, and a decrease in persulfidation with aging, in C. elegans, rats and human cells.