Influence des lipides sur la dynamique du transport du fer médié par la ferroportine-1 et sa modulation par des composés amphiphiles

Influence of lipids on the dynamics of ferroportin-1-mediated iron transport and its modulation by amphiphilic compounds

• Auteur / Autrice : Rim Debbiche
• Direction : Gérald Le Gac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique, génomique, biotechnologies
• Date : Soutenance le 08/02/2024
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique, Génomique fonctionnelle et Biotechnologies (Brest ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul-Alain Jaffrès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérald Le Gac, Paul-Alain Jaffrès, Loïc Garçon, Catherine Mura, Emmanuelle Génin, Isabelle Callebaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Garçon, Catherine Mura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lipides

Ferroprotéines

Fer dans l'organisme

Mots clés libres

Métabolisme du fer

Ferroportine-1

Protéines MFS

Radeaux lipidiques

Lipides

Cholestérol

Iron metabolism

Ferroportin-1

MFS proteins

Lipid-rafts

Lipids

Cholesterol

Résumé

La ferroportine-1 (FPN1), seul exportateur de fer connu chez les mammifères, est exprimée à la surface de différentes cellules spécialisées du métabolisme de fer. Cette protéine appartient à la famille des protéines MFS « Major Facilitator Superfamily » et libère le fer intracellulaire au travers de changements conformationnels oscillant entre une structure ouverte vers le cytoplasme (« Inward-Facing ») et une structure ouverte vers la circulation sanguine (« Outward-Facing » ; OF). Il a été rapporté que FPN1 est préférentiellement localisée dans les radeaux lipidiques, des microdomaines de la membrane plasmique particulièrement enrichies en cholestérol (CHOL). Au début de la thèse nous avons formulé l’hypothèse que des interactions directes entre FPN1 et les lipides environnants, notamment le CHOL, sont nécessaires pour stabiliser FPN1 dans la conformation OF et/ou favoriser certains changements conformationnels. J’ai confirmé la colocalisation préférentielle de FPN1 dans les radeaux lipidiques des cellules embryonnaires de rein humain. La dépendance de la fonction d’export de fer de FPN1 au CHOL a été examinée par déplétion/réplétion (CHOL/épicholestérol). Des expériences de criblage mutationnel appuyées par des analyses structurelles de la structure expérimentale 3D de FPN1 dans un état OF ont permis d’identifier trois sites de liaison possibles au CHOL (de types CARC/CRAC). Sur la base de simulations de dynamique moléculaire dans un environnement lipidique simplifié de type POPC, nous identifions certaines interactions entre des résidus chargés de la structure 3D FPN1 humaine et les têtes polaires de phospholipides environnants, qui pourraient faciliter les changements conformationnels du transporteur. Je montre également, pour la première fois, que la fonction de FPN1 est modulée par des composés amphiphiles de synthèse, l’ohmline et ses dérivés. Au travers du développement d’une nouvelle approche in vitro (PLA : « Proximity Ligation Assay »), j’indique que l’ohmline délocalise FPN1 des radeaux lipidiques, diminuant ainsi son interaction avec son partenaire fonctionnel, la céruloplasmine (CP), une ferroxydase qui catalyse l'oxydation du fer ferreux, et en conséquence la fonction d’export du fer.

Ferroportin-1(FPN1), the only known mammalian iron exporter, is expressed on the surface of various specialized cells involved in iron metabolism. This protein belongs to the Major Facilitator Superfamily (MFS) and releases intracellular iron through conformational changes oscillating between an open structure towards the cytoplasm (Inward-Facing) and an open structure towards the bloodstream (Outward-Facing; OF). It has been reported that FPN1 is preferentially localized in lipid-rafts, microdomains of the plasma membrane particularly enriched in cholesterol (CHOL). Early in the thesis, we hypothesized that direct interactions between FPN1 and surrounding lipids, notably CHOL, are necessary to stabilize FPN1 in the OF conformation and/or promote certain conformational changes. I confirmed the preferential colocalization of FPN1 in the lipid rafts of human embryonic kidney cells. The dependence of FPN1's iron export function on CHOL was examined by depletion/repletion (CHOL/epicholesterol). Mutational screening experiments supported by structural analyses of the experimental 3D structure of FPN1 in an OF state have identified three possible CHOL-binding sites (of the CARC/CRAC type). Based on molecular dynamics simulations in a simplified POPC-type lipid environment, we identify certain interactions between charged residues of the human FPN1 3D structure and the polar heads of the surrounding phospholipids, which could facilitate conformational changes of the transporter. Besides, I show, for the first time, that FPN1 function is modulated by synthetic amphiphilic compounds, ohmline and its derivatives. Through the development of a novel in vitro approach (PLA: Proximity Ligation Assay), I show that ohmline delocalizes FPN1 from lipid-rafts, thereby decreasing its interaction with its functional partner, ceruloplasmin (CP), a ferroxidase that catalyzes the oxidation of ferrous iron, and consequently its iron export function.