Analysis of the allosteric control and prediction of a structure for a pathogenic toxin : the contribution of the molecular dynamics simulations
Analyse du contrôle allostérique et prédiction de structure pour une toxine de pathogène : l'apport des simulations de dynamique moléculaire
Résumé
The protein CyaA is an important virulence factor of Bordetella pertussis involved in the whooping cough disease. The AC domain of CyaA is activated in eukaryotic host cells as an adenyl-cyclase by the ubiquitous and calcium sensitive protein calmodulin (CaM). This activation transformes the ATP into cAMP in an uncontrolled way, leading to severe cellular dysfunction. Only the structure of AC complexed with calcium-loaded calmodulin has been resolved by X-ray crystallography. Starting from this structure, molecular dynamics simulations of AC free and in complex with calmodulin enabled to characterize the effect of the calmodulin and calcium ions on the conformational plasticity of the complex. Conformational tendencies of free AC were also studied. The joint analysis of energetic influences and hydrogen bonds revealed a network of interactions between AC and calmodulin, in which three key residues, that may play an allosteric role on the catalytic activity of the adenyl-cyclase, were modified by site-directed mutagenesis. These experimental tests have led to the identification of an allosteric region which assures the communication of the conformational transition information between the binding site of the calmodulin and the catalytic site. A more thorough conformational exploration of the unbound AC state was undertaken by an innovative temperature accelerated molecular dynamics (TAMD) method. It led to a prediction of some sampled conformations of AC in its unbound state. These predictions could be used in the future to stabilize the free state and to facilitate the experimental study of its structure
La protéine CyaA est un facteur de virulence majeur de Bordetella pertussis, impliqué dans la maladie de la coqueluche. Le domaine catalytique AC de CyaA est directement transféré dans la cellule hôte eucaryote, où il est activé comme adénylcyclase par la calmoduline, une protéine ubiquitaire et sensible aux ions calcium. Ainsi, AC transforme l'ATP en AMPc de manière incontrôlée, ce qui conduit à des dérèglements cellulaires. Seule la structure de AC complexé à la calmoduline chargée d'ions calcium avait été résolue par cristallographie aux rayons X. À partir de cette structure, des simulations de dynamique moléculaire de AC libre, et en complexe avec la calmoduline nous ont permis de caractériser l'effet de la calmoduline et des ions calcium sur la plasticité conformationnelle du complexe. Les tendances conformationelles de AC libre ont aussi été étudiées. L'analyse conjointe des influences énergétiques et des liaisons hydrogène a révélé un réseau d'interactions entre AC et la calmoduline, dans lequel trois résidus clés, susceptibles de jouer un rôle allostérique sur l'activité de l'adénylcyclase ont été modifiés par mutagenèse dirigée. Ces tests expérimentaux ont conduits à la mise en évidence d'une région allostérique qui assure la communication de l'information de transition conformationnelle entre le site de fixation de la calmoduline et le site catalytique. Une exploration conformationnelle plus approfondie de AC à l'état non-lié a été entreprise par une méthode innovante de dynamique accélérée par la température (TAMD). Elle nous a conduit à la prédiction de conformations échantillonnées de AC dans son état libre. Ces prédictions pourraient être utilisées à l'avenir pour stabiliser l'état libre et faciliter l'étude expérimentale de sa structure