Mitochondries, métaux et stress oxydatif>> Activités de recherche et projets

L'étude des voies d'assimilation du fer et de son métabolisme intracellulaire chez un organisme modèle, la levure Saccharomyces cerevisiae, permet d'aborder des problèmes de biologie fondamentaux tout en envisageant des applications de ces recherches dans les domaines de la thérapeutique ou de la compréhension des bases moléculaires de pathologies humaines.

En effet, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires mis en jeu pour le contrôle de l'homéostasie cellulaire du fer, élément indispensable au métabolisme cellulaire mais potentiellement toxique en tant que vecteur de stress oxydant, doit se poser en termes d'analyse de systèmes complexes, très sensibles aux variations des paramètres contrôlant les réponses à la carence ou à la surcharge en fer des milieux de croissance et qui donnent une grande capacité d'adaptation aux cellules.

Cette complexité se trouve au niveau des molécules (protéines, métabolites) et des réseaux de protéines dans les différents compartiments sub-cellulaires en interaction, des réseaux d'expression génique, mais aussi, au niveau supra cellulaire comme illustré par l'auto organisation des cellules de levure dans des colonies de morphologie différenciée (voir photo ci-contre) en fonction de la biodisponibilité du fer dans leur milieu de croissance.

Nous abordons l'étude de ces processus complexes à différents niveaux :

  1. le niveau moléculaire, par la caractérisation des systèmes de transport du fer, réductifs et non réductifs, en relation avec le métabolisme énergétique des cellules (en particulier le contrôle du potentiel redox cytoplasmique) et le contrôle du trafic intracellulaire des protéines (voies d'endocytose et de sécrétion des protéines).

    Une part importante de notre étude porte sur la mitochondrie, en tant que cet organite joue un rôle central dans l'utilisation du fer cellulaire. Les questions clés qui nous occupent ici concernent les relations entre le " statut métabolique " des cellules, l'import mitochondrial du fer, son stockage au niveau matriciel et son entrée dans les deux grandes voies métaboliques que sont la synthèse d'hème et l'assemblage des centres fer-soufre. Nous nous intéressons en particulier au rôle de Yfh1 (l'homologue chez la levure de la frataxine humaine, dont l'altération conduit à l'ataxie de Friedreich) dans l'homéostasie mitochondriale du fer et la réponse cellulaire au stress oxydant.

  2. le niveau supramoléculaire représenté par les réseaux d'interactions géniques :
    1. en cherchant à comprendre les mécanismes de régulation de l'expression des gènes impliqués dans le métabolisme du fer chez S. cerevisiae, par l'analyse des bases moléculaires de la sélectivité des activateurs transcriptionnels paralogues Aft1p et Aft2p. Nous avons montré que ces paralogues, bien que partageant des éléments communs dans leurs sites consensus de liaison à l'ADN, contrôlent l'expression de sous-ensembles distincts de gènes. De plus, l'abondance relative des protéines Aft1p et Aft2p est modulée par le fer, ce qui conduit à la mise en place dans la cellule de boucles de rétroactions post-transcriptionnelles.
    2.  en analysant les phénotypes de croissance et de métabolisation du fer de la collection EUROSCARF des souches haploïdes viables invalidée pour chaque ORF de S. cerevisiae. Ce crible a permis de mettre en évidence d'une part l'importance de l'intégrité de la machinerie de trafic des protéines dans la cellule et d'autre part le rôle critique de l'intégrité de fonctions mitochondriales dans la transduction de signaux de contrôle de l'homéostasie du fer, signaux qui restent à définir.
  3. le niveau supra cellulaire en cherchant à modéliser la croissance de colonies de levure (dans des contextes génétiques choisis) sur des milieux contenant différentes sources de fer.

    Nos approches expérimentales sont principalement génétiques et biochimiques avec des développements importants pour la mise en oeuvre des méthodes les plus récentes de la génomique (DNA-chips, Chromatine Immunoprécipitation, criblages haute densité de collections de mutants, analyses protéomiques, mesure d'interactions moléculaires).

Parallèlement à l'étude du métabolisme du fer chez l'organisme modèle S. cerevisiae, nous menons des travaux similaires chez une autre levure, Candida albicans, en mettant ici l'accent sur les relations entre métabolisme du fer et pathogénicité. C. albicans, qui est un commensal de l'homme, est reconnu comme un pathogène majeur chez des hôtes en condition de susceptibilité exacerbée (immunologique ou physiologique), et est responsable à ce titre d'un grand nombre de maladies nosocomiales souvent létales. Notre approche consiste essentiellement ici à caractériser les voies de transport du fer chez cet organisme, et à identifier celles qui sont nécessaires à l'acquisition du caractère virulent dans différents modèles d'infection, le but de ce travail étant d'identifier des cibles potentielles pour de nouveaux agents anti-fongiques. Davantage que chez S. cerevisiae, nous développons ici les approches morphologiques et supra cellulaires : C. albicans est en effet une levure dimorphique dont la pathogénicité est étroitement liée à la transition levure-hyphe, transition qui est elle-même liée au métabolisme du fer. De même la capacité des cellules à former des biofilms est-elle dépendante de la source de fer disponible dans le milieu.

La recherche de nouvelles voies de développement de molécules anti-fongiques a été étendue à la recherche de nouveaux composés possédant une activité antipaludéenne. Sur le plan de l'acquisition du fer, Plasmodium falciparum, agent causal de la malaria, dépend essentiellement de la dégradation de l'hème de l'hémoglobine dans un compartiment intracellulaire spécialisé, la vacuole digestive. La chloroquine et ses dérivés restent actuellement parmi les meilleurs anti-paludéens, mais de très nombreuses résistances à cette drogue limitent son efficacité. Des souches de S. cerevisiae résistantes à la chloroquine montrent une induction massive des gènes du régulon Aft, indiquant une relation entre le mode d'action de cette drogue et le métabolisme intracellulaire du fer. Nous avons caractérisé de nouveaux peptides extraits du venin de la mygale Psalmopoeus cambridgei, qui inhibent le cycle de développement de P. falciparum dans son cycle intra-erythrocytaire. Ces peptides dont la structure de type ICK (Inhibitor Cystine Knot) est proche de celle de nombreuses neurotoxines sont non-cytotoxiques et non-hémolytiques. Ils n'inhibent pas les canaux ioniques voltage-dépendants impliqués dans le fonctionnement des jonctions neuromusculaires. Ils sont donc de très bons précurseurs de nouveaux composés utilisables en thérapeutique humaine. Pour mieux caractériser le mode d'action de ces peptides, nous avons développé des systèmes de production de peptides recombinants et entrepris des études de relations structure-fonction. La caractérisation de leur cible dans l'érythrocyte infecté est maintenant un axe de recherche prioritaire.

Le potentiel des venins de théraphosidés comme source de composés pharmacologiquement actifs nous conduit de plus à développer une approche de génomique comparée par analyse du "peptidome" des venins.

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