Défense de thèse de doctorat en Sciences chimiques - Elise Pierson

Biophysical and enzymological exploration of Mycobacterium tuberculosis phosphoserine phosphatase SerB2 self-assembly and regulation by L-serine

Jury

• Prof. Catherine MICHAUX (département de chimie, UNamur), présidente
  
• Prof. Johan WOUTERS (département de chimie, UNamur), promoteur et secrétaire
  
• Prof. René WINTJENS (faculté de pharmacie, ULB)
  
• Prof. Marianne FILLET (département de pharmacie, ULiège)
  
• Prof. Xavier DE BOLLE (département de biologie, UNamur)
  

Abstract

Homo-oligomerization, or protein self-assembly, is a phenomenon governing a wide variety of cellular functions. The homo-oligomeric state of an enzyme can, for instance, influence its function and/or activity, and consequently all the biochemical mechanisms arising therefrom. An emerging therapeutic strategy therefore consists in regulating the activity of an enzyme by interfering with its quaternary structure(s) using small molecules. The implementation of such an approach requires the thorough characterization of homo-oligomerization in the targeted system.

In the context of research against tuberculosis and the ever-growing threat to public health caused by the emergence of multidrug-resistant strains, this thesis focuses on the phosphoserine phosphatase SerB2 of M. tuberculosis (MtSerB2). Not only essential to the survival of the pathogen through its metabolic function in L-serine biosynthesis, the enzyme is also an interesting therapeutic target in light of its suspected role in host invasion.

This work consists of the exploration of MtSerB2 homo-oligomerization in the presence and absence of L-serine. The nature, structure, and activity of the oligomeric species formed by the enzyme and its homologs (natural or engineered) are studied by electrophoresis, size exclusion chromatography, light scattering in solution, X-ray crystallography, and enzyme kinetics. Combined, the results suggest that MtSerB2 is a morpheein. Multiple alternative quaternary assemblies of the enzyme are evidenced, including an active domain-swapped dimer, an inactive tetramer, and a low-activity trimer formed in the presence of L-serine. Their structural characteristics and formation mechanisms indicate that the interconversion between these species can take place through a conformationally flexible monomeric state. In addition to establishing the basis for the rational design of selective allosteric inhibitors, this equilibrium may provide answers to the moonlighting properties of MtSerB2.

Résumé

L’homo-oligomérisation, ou auto-assemblage des protéines, est un phénomène régissant une grande variété de fonctions cellulaires. L’état homo-oligomérique d’une enzyme peut, entre autre, influencer sa fonction et/ou son activité, et par conséquent tous les mécanismes biochimiques en découlant. Une stratégie thérapeutique émergente consiste donc à réguler l’activité d’une enzyme en interférant avec sa ou ses structure(s) quaternaire(s) à l’aide de petites molécules. L’implémentation d’une telle approche nécessite la caractérisation détaillée de l’homo-oligomérisation du système ciblé.

Inscrite dans le contexte de la recherche contre la tuberculose, dont les souches multirésistantes constituent une menace croissante pour la santé publique, cette thèse a pour sujet la phosphosérine phosphatase SerB2 de M. tuberculosis (MtSerB2). Essentielle à la survie du pathogène de par sa fonction métabolique dans la biosynthèse de la L-sérine, cette enzyme est également une cible thérapeutique intéressante au regard de son rôle soupçonné dans l’invasion de l’hôte.

Ce travail consiste en l’exploration de l’homo-oligomérisation de MtSerB2 en présence et absence de L-sérine. La nature, structure et activité des espèces oligomériques que l’enzyme et ses homologues (naturels ou conçus in vitro) forment sont étudiées par électrophorèse, chromatographie d’exclusion de taille, diffusion de la lumière en solution, cristallographie aux rayons-X et cinétique enzymatique. Combinés, les résultats obtenus suggèrent que MtSerB2 est une morphéine. Plusieurs assemblages quaternaires alternatifs de l’enzyme sont mis en évidence, dont un dimère à domaines échangés actif, un tétramère inactif et un trimère peu actif formé en présence de Lsérine. Leurs caractéristiques structurales et mécanismes de formation indiquent que l’interconversion entre ces espèces peut avoir lieu au travers d’un état monomérique conformationellement flexible. Outre le fait d’établir les bases pour la conception rationnelle d’inhibiteurs allostériques sélectifs, cet équilibre pourrait apporter des réponses quant aux propriétés multifonctionnelles ("moonlighting") de MtSerB2.

 

 

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