Structural studies on inhibition mechanisms, oligomerization and DNA binding of the transcription regulator Fur : from in silico simulations to in vitro biological assays
Etudes structurales des mécanismes d'inhibition, d'oligomérisation et de liaison à l'ADN du régulateur de transcription Fur : des simulations in silico aux tests biologiques in vitro
Résumé
The most commonly prescribed drugs in human medicine are antibiotics. Since their discovery, they have drastically impacted the way we treat infections. However, a bacterium eventually becomes resistant to antimicrobial treatment through the natural process of adaptative evolution. Even if resistant bacteria are omnipresent in the biosphere, their emergence rate is accelerated by the misuse of antimicrobial agents leading to the public health threat we are facing now. As currently available antimicrobial agents lose their effectiveness and very few new drugs are being developed, a breakthrough in new strategies to fight pathogens should be a priority. Ideal new therapeutic targets should exert weak evolutionary pressure, disarm or weaken the pathogen and be unique to microorganisms. One way to do so is by interfering with the iron regulation and its homeostasis within Bacteria. The bioavailability of iron strongly influenced early life and the metabolic strategies that sustained it. A central iron sensing mechanism evolved to ensure the regulation of such an important element. Sadly for bacteria this sensor became an exploitable weakness in our battle against infection. The “Ferric Uptake Regulator” is a metal dependent transcription regulator with a large regulatory network controlling iron homeostasis and bacterial virulence. This work continues previous investigations on Fur inhibitors using a combined experimental and theoretical approach by performing XAS, SAXS and MALLS experiments together with computer simulations. We describe for the first time the structures of Fur from E. coli in addition to a tetrameric Fur structure of a mutant from P. aeruginosa. Moreover, free energy profiles of Fur proteins, as tetramers or dimers bound to DNA, from different species were generated and key residues involved in the interactions determined, providing mechanistic insights into Fur complexes. The structural information gathered from this work will be used to better understand inhibition mechanisms of Fur proteins providing new opportunities to overcome drug development challenges.
Les antibiotiques sont les médicaments les plus utilisés dans la médecine moderne. Depuis leurs découvertes, ils ont drastiquement changé la façon dont les infections sont traitées. Toutefois, à travers le processus d’adaptation, les bactéries deviennent éventuellement résistantes aux antibiotiques. Malgré leur omniprésence dans la biosphère, l’émergence de souches résistantes est favorisée par le mauvais usage des antibiotiques, ce qui crée une menace importante pour la santé publique. Les antibiotiques actuelles perdent graduellement leur efficacité, et vue le faible nombre de nouvelles molécules développées, la priorité est donnée pour la découverte de nouvelles stratégies capables de combattre les pathogènes. Les nouvelles cibles thérapeutiques idéales doivent exercer une faible pression évolutive, diminuer la virulence et être unique aux microorganismes. Une façon d’atteindre cet objectif est d’interférer dans la régulation et l’homéostasie du Fer chez les bactéries. La biodisponibilité du Fer a fortement influencé l’émergence de la vie sur terre et les stratégies évolutives qu’elle a adoptée. Ce qui a mené à l’apparition d’un mécanisme central de détection du Fer assurant la régulation de cet élément de haute importance. Ce senseur est un point faible que nous pourrons exploiter dans notre combat contre les infections bactériennes. La protéine Fur, pour « Ferric Uptake Regulator », est un régulateur de transcription métal dépendant qui est impliqué dans vaste réseau de régulation contrôlant principalement l’homéostasie du Fer et l’expression de facteurs de virulence. Le travail présenté dans ce manuscrit complète les études précédentes sur des inhibiteurs de la protéine Fur en utilisant une approche combinée théorique et expérimentale grâce a des expériences de XAS, SAXS et MALLS associé a de la modélisation moléculaire. Nous décrivons pour la première fois la structure de Fur d’E. coli ainsi que la structure d’un tétramère de Fur d’un mutant de P. aeruginosa. Par ailleurs, les profils d’énergie libre des protéines Fur de différentes espèces ont été déterminé, pour des complexes tetramériques ou dans le cas de dimères liés à l’ADN, permettant une compréhension préliminaire de leur mécanistique. Les informations structurales obtenues grâce aux travaux présentés dans ce manuscrit permettront de mieux comprendre les mécanismes d’inhibition des protéines Fur ainsi que fournir de nouvelles opportunités pour le développement de molécules a visée thérapeutique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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