Structural Basis of the Biosynthesis of the tRNA N6-threonylcarbamoyladenosine
Les bases structurales de la modification N6-threonylcarbamoyladenosine des ARNt
Résumé
Most tRNAs undergo chemical modifications during their maturation after the transcription. N6-threonylcarbamoyladenosine (t6A) is universally present at position 37 of tRNAs that recognize ANN-codons. tRNA t6A plays an essential role in translational fidelity through enhancing the codon-anticodon interaction. Recently, the tRNA t6A-modifying enzymes have been identified and characterized in bacteria, archaea and yeast. The biosynthesis of tRNA t6A proceeds in two main steps: first, the biosynthesis of an unstable intermediate threonylcarbamoyladenylate (TCA) by Sua5/YrdC family protein, using ATP, L-threonine, bicarbonate as substrates; second, the transfer of threonylcarbamoyl-moiety from TCA onto A37 of cognate tRNAs by a set of other proteins that use Kae1/Qri7/YgjD family proteins as a catalytic component. Though the biosynthesis of tRNA t6A could be accomplished by Sua5 and Qri7 in yeast mitochondria, the t6A biosynthesis in archaea and yeast cytoplasm requires Sua5 and KEOPS protein complex, which consists of Kae1, Bud32, Cgi121, Pcc1 in archaea, and a fifth Gon7 in yeast. In bacteria, it requires YrdC, YgjD, YeaZ and YjeE, of which YeaZ and YjeE are not related to any KEOPS subunits. Presently, the molecular mechanism of Sua5/YrdC in catalyzing the TCA biosynthesis is not well understood; How the KEOPS subunits assembly and cooperatively transfer threonylcarbamoyl-moiety from TCA to tRNA is not known; The contribution of YeaZ and YjeE in t6A biosynthesis in bacteria still remains to be probed.In this study, we report crystal structures of P. abyssi Sua5, S. cerevisiae Gon7/Pcc1 and Bud32/Cgi121 binary complexes, and E. coli YgjD-YeaZ heterodimer. Based on the information revealed by the crystal structures, advanced biochemical characterizations were carried out to validate the hypotheses. We confirm first that Sua5/YrdC is capable of catalyzing the TCA biosynthesis using substrates of ATP, L-threonine, and bicarbonate. The structure of P. abyssi Sua5 in complex with pyrophosphate provides a basis for its ATP-pyrophosphatase activity. Second, the structure of Gon7 reveals that it functions as a structural mimic of Pcc1 and therefore prevents the formation of Pcc1 homodimer, which mediates the formation of a dimer of tetrameric KEOPS from archaea. The structure of Bud32-Cgi121 in complex with ADP provides a basis in support of the dual kinase and ATPase activities of Bud32. We present a structural model of yeast KEOPS that exists as a heteropentamer. Third, we discovered that the weak intrinsic ATPase activity of YjeE is activated by YgjD-YeaZ heterodimer. YgjD, YeaZ and YjeE associate and form a ternary complex that is regulated by both the formation of YgjD-YeaZ heterodimer and the binding of ATP to YjeE. The model of YgjD-YeaZ-YjeE ternary complex provides structural insight into the essential role of YeaZ and YjeE in t6A biosynthesis in bacteria. This work provides structural insights into understanding the biosynthesis of tRNA t6A that is essential and ubiquitous in all three domains of life.
La plupart de ARN de transfert (tRNA) subissent des modifications post-transcriptionnelle nécessaires à leur fonction. La modification t6A (N6-threonylcarbamoyladenosine) présente en position 37 des ARNt spécifiques des codons ANN, joue un rôle primordial dans la fidélité de la traduction (appariement correct avec le codon AUG initiateur ; prévention des décalages de phase de lecture etc.). La modification t6A est catalysée en deux étapes par les protéines de la famille Sua5 /YrdC (aboutissant à la synthèse d’un intermédiaire TCA : threonylcarbamoyladenylate) puis transfert de l’entité Carbamoylthreonine du TCA sur l’ARNt via les protéines du complexe KEOPS chez les eucaryotes et archae ou des protéines YgjD, YeaZ et YjeE chez les bactéries ou encore de la protéine Qri7 dans les mitochondries de levures. Le complexe KEOPS comprend les 4 sous-unités suivantes : Kae1, Bud32, Cgi121 et Pcc1 auxquelles s’ajoutent une 5ème sous-unité (Gon7) retrouvée uniquement chez la levure. Alors que YgjD est l’homologue bactérien de la protéine Kae1, YeaZ et YjeE n’ont pas d’homologue chez les eucaryotes ni les archées. Jusqu’à présent, les mécanismes catalytiques responsables de la modification t6A restent peu connus.Nous présentons dans cette thèse une série d’études structure-fonction de plusieurs protéines impliquées dans la biosynthèse de la modification t6A : Sua5 de P. Abyssi ; les sous-complexes Bud32-Cgi121 et Gon7-Pcc1 de S. cerevisiae ainsi que le sous-complexe YgjD-YeaZ de E. coli. Les principaux résultats confirment que Sua5/YrdC est l’acteur majeur de la synthèse de l’intermédiaire TCA via son activité pyrophosphatase. Dans la levure, la protéine Gon7, empêche l’homodimérisation de Pcc1 qui ne peut plus induire de dimérisation du complexe entier (alors que c’est le cas chez les archées pour lesquelles Gon7 est absente). La structure du sous-complexe Bud32-Cgi121 de levure fournit des informations essentielles quant à son rôle de Kinase et d’ATPase au sein du complexe KEOPS. Ensemble, ces deux structures Bud32-Cgi121 et Gon7-Pcc1 nous permettent de proposer un modèle pentamérique du complexe KEOPS. Enfin, concernant les protéines bactériennes, nous montrons que l’activité ATPase de YjeE est stimulée par son association au complexe YgjD-YeaZ et que la formation du complexe ternaire YgjD-YeaZ-YjeE a lieu en présence d’ATP. Nous proposons un modèle structural de ce complexe ternaire pouvant expliquer les rôles des protéines YeaZ et YjeE dans la modification t6A.L’ensemble des études structurales abordées dans cette thèse permet donc de mieux comprendre le mécanisme catalytique de la modification t6A essentielle et ubiquitaire dans les 3 royaumes de la vie.
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