Plasticité du site de liaison et mécanisme grappin de l'adhésine FimH

par Olivier Languin-Cattoen

Thèse de doctorat en Modélisation moléculaire

Sous la direction de Fabio Sterpone et de Guillaume Stirnemann.

Soutenue le 11-02-2022

à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Laboratoire de biochimie théorique (Paris ; 1997-....) (laboratoire) , Institut de biologie physico-chimique (Paris) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de biochimie théorique [Paris] (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Farge.

Le jury était composé de Fabio Sterpone, Guillaume Stirnemann, Emmanuel Farge, Patrick Senet, Juliette Martin, Adèle Laurent.

Les rapporteurs étaient Patrick Senet, Juliette Martin.

mots clés

• Liaison accrocheuse
• Adhésine
• Upec
• Dynamique moléculaire
• Échantillonnage renforcé
• Dynamique moléculaire dirigée

Résumé

Le développement des techniques expérimentales dans le domaine de la mécanobiologie, dont la spectroscopie à force atomique sur molécule unique, a permis la mise en évidence d’assemblages biomoléculaires aux propriétés mécaniques singulières : les liaisons « accrocheuses ». Contrairement aux liaisons traditionnelles – qualifiées de « glissantes », ces liaisons non-covalentes voient leur durée de vie s’allonger lorsqu’elles sont soumises à des forces de tension. L’un des exemple de liaison accrocheuse le mieux documenté est celle formée par l’adhésine bactérienne FimH de E. coli. Située à l’extrémité d’appendices protéiques fibrillaires (les pili), FimH se lie spécifiquement aux dérivés de mannose trouvés en abondance sur certaines glycoprotéines des épithéliums humains. FimH est un facteur de virulence pour certaines souches d’E. Coli impliquées dans des infections urinaires, en leur permettant d’adhérer à l’urothélium en présence d’une perturbation hydrodynamique et d’éviter d’être éliminées lors de la miction.Le mécanisme de liaison accrocheuse de FimH a été en partie élucidé grâce à de nombreuses études expérimentales, dont un bon nombre de structures cristallographiques. Le modèle général est celui d’une allostérie intramoléculaire négative, où l’application d’une force entraîne la séparation des deux domaines constituant la protéine suivie d’une transition allostérique au sein du domaine comportant le site de liaison aux mannosides. Cette levée d’inhibition accroît alors très fortement l’affinité pour le ligand. Malgré tout, de nombreux points d’ombre demeurent sur les mécanismes précis de cette régulation interdomaine et sur l’origine structurelle de la différence frappante d’affinité entre les deux états allostériques.En nous appuyant sur l’abondante littérature expérimentales concernant FimH, nous menons une étude fondée sur des simulations de dynamique moléculaire et des méthodes d’échantillonnage renforcé. Ces techniques nous permettent d’explorer le paysage conformationnel du domaine effecteur en présence et en l’absence de domaine régulateur, et d’identifier de nouveaux états d’ouvertures du site de liaison. L’abondance relative des états d’ouverture dans les divers états allostériques est calculée et permet de mettre en évidence l’importance de la dynamique d’ouverture du site dans les affinités apparentes mesurées expérimentalement, ainsi que l’influence locale de l’application d’une force. Des simulations hors d’équilibre de dissociation du complexe sous force sont menées pour différents degrés d’ouverture et montrent un mécanisme en deux étapes dont la prise en compte est nécessaire pour rendre compte des constantes de vitesses expérimentales en l’absence de tension. Dans l’ensemble, nos résultats dressent un portrait complexe et multi-échelle du grappin moléculaire formé par FimH et soulignent l’importance des études simulatoires pour complémenter l’interprétation des données expérimentales, tout en questionnant leurs limitations.

mots clés

• Catch bond
• Adhesin
• Upec
• Molecular dynamics
• Enhanced sampling
• Steered molecular dynamics

Titre traduit

Binding site plasticity and catch-bond mechanism of the adhesin FimH

Résumé

The development of experimental techniques in the field of mechanobiology, including single-molecule atomic force spectroscopy (AFM), has allowed the identification of biomolecular assemblies with unique mechanical properties: catch bonds. Contrary to traditional bonds - or slip bonds - these non-covalent bonds increase their life span when subjected to tensile forces. One of the most documented examples of a catch bond protein is the bacterial adhesin FimH from E. coli. Located at the tip of fibrillar protein appendages (pili), FimH specifically binds to mannose derivatives found in abundance on glycoproteins of human epithelia. FimH is a virulence factor for some E. Coli strains involved in urinary tract infections, allowing them to adhere to the urothelium under hydrodynamic disturbance and avoid being eliminated during urination.The mechanism of FimH catch bond has been in part elucidated through numerous experimental studies and crystallographic structures. The general model is negative intramolecular allostery, where the application of a force results in the separation of the two domains constituting the protein, followed by an allosteric transition within the binding site domain. This removal of the inhibiting domain greatly increases the affinity for the ligand. However, many questions remain about the precise mechanism of the interdomain regulation and the structural origin of the allosteric states striking difference in affinity.Drawing on the extensive experimental literature on FimH, we conduct a study based on molecular dynamics simulations and enhanced sampling methods. These techniques allow us to explore the conformational landscape of the effector domain in the presence and absence of the regulatory domain, and to identify new opening states of the binding site. The relative abundance of opening states in the various allosteric states is calculated and allows us to highlight the importance of site opening dynamics in the experimental affinities, as well as the local influence of force. Non-equilibrium simulations of the complex dissociation under tension are carried out and show a two-step mechanism which is necessary to account for the experimental rate constants in the absence of force. Overall, our results show a complex and multiscale picture of FimH catch-bond mechanism and highlight the importance of computational studies to interprete experimental data, while questioning their limitations.