Analyse structure-fonction de la 2-sulfamoylacétate synthase dans la biosynthèse de l’altemicidine

Contexte académique

Les antibiotiques sulfonamides, tels que l’altemicidine et ses analogues, suscitent un grand intérêt en raison de leurs activités antitumorales et antibactériennes remarquables. Ces composés possèdent une chaîne latérale sulfonamide rare, une caractéristique structurelle importante dans la conception de médicaments et les applications médicales. Cependant, la relation structure-activité de la chaîne latérale sulfonamide dans l’altemicidine et ses analogues n’est pas encore entièrement élucidée. Pour mieux comprendre la fonction de cette structure clé et son mécanisme de biosynthèse, les chercheurs ont mené une étude approfondie sur l’enzyme clé de la voie de biosynthèse de l’altemicidine, la 2-sulfamoylacétate synthase (SbzJ).

SbzJ est une aldéhyde déshydrogénase responsable de la conversion du 2-sulfamoylacétaldéhyde en 2-sulfamoylacétate, une étape cruciale dans la formation de la chaîne latérale sulfonamide. Bien que la fonction de SbzJ ait été initialement identifiée, sa spécificité de substrat et la base structurelle de la reconnaissance du groupe sulfonamide restent mal comprises. Cette étude vise donc à élucider le mécanisme catalytique de SbzJ et ses caractéristiques de reconnaissance de substrat, fournissant une base théorique pour l’ingénierie enzymatique et le développement de nouveaux composés bioactifs.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Takahiro Mori, Kosuke Sakurada, Takayoshi Awakawa, Haibin He, Richiro Ushimaru et Ikuro Abe, issus respectivement de la Graduate School of Pharmaceutical Sciences de l’Université de Tokyo, du Collaborative Research Institute for Innovative Microbiology de l’Université de Tokyo, de l’Agence japonaise pour la science et la technologie (JST) et du RIKEN Center for Sustainable Resource Science. L’article a été publié en 2024 dans la revue The Journal of Antibiotics, avec le DOI 10.1038/s41429-024-00798-0.

Démarche et résultats de la recherche

1. Caractérisation biochimique et analyse de la spécificité de substrat de SbzJ

L’étude a commencé par une analyse systématique de la spécificité de substrat de SbzJ à travers des expériences in vitro. Les résultats ont montré que SbzJ est capable de catalyser non seulement l’oxydation de son substrat naturel, le 2-sulfamoylacétaldéhyde (4), mais aussi d’accepter divers autres substrats aldéhydiques, notamment le butyraldéhyde (6), le 2-éthylbutyraldéhyde (7), le benzaldéhyde (8), le 2-phénylpropionaldéhyde (9), le cinnamaldéhyde (10) et le 3-méthylthiobutyraldéhyde (11). Ces substrats sont oxydés par SbzJ pour générer les acides carboxyliques correspondants (12-17).

Une analyse cinétique en régime permanent a permis de quantifier l’efficacité catalytique de SbzJ pour différents substrats. Les résultats ont révélé que l’efficacité catalytique de SbzJ pour le 2-sulfamoylacétaldéhyde (kcat/Km = 6,2 × 10^4 s^-1 M^-1) est comparable à celle de nombreuses aldéhyde déshydrogénases connues. De plus, SbzJ a montré une efficacité catalytique élevée pour le butyraldéhyde et le 3-méthylthiobutyraldéhyde, indiquant une préférence pour les substrats aldéhydiques aliphatiques et de petite taille.

2. Résolution de la structure cristalline de SbzJ

Pour élucider le mécanisme catalytique de SbzJ, les chercheurs ont résolu la structure cristalline du complexe SbzJ-NAD+ à une résolution de 2,5 Å. L’analyse structurelle a révélé que SbzJ adopte un repliement typique des aldéhyde déshydrogénases, comprenant un domaine de liaison au NAD+ et un domaine catalytique C-terminal. Le NAD+ se lie aux résidus du site actif via un réseau de liaisons hydrogène, où His431 et Glu240 ont été identifiés comme des résidus clés, responsables respectivement de l’activation de Cys273 catalytique et d’une molécule d’eau.

À l’aide d’un modèle de docking moléculaire, les chercheurs ont simulé le mode de liaison de SbzJ avec son substrat, le 2-sulfamoylacétaldéhyde. Le modèle a montré que le groupe sulfonamide interagit par des liaisons hydrogène avec Tyr148, Ser272 et Gln425, indiquant que SbzJ reconnaît le groupe sulfonamide via des interactions hydrogène. Cette découverte fournit une base structurelle pour la spécificité de substrat de SbzJ.

3. Validation fonctionnelle des résidus clés par mutagenèse

Pour valider la fonction des résidus du site actif de SbzJ, des expériences de mutagenèse ont été menées. Les résultats ont montré que la mutation du résidu catalytique Cys273 (C273A) élimine complètement l’activité oxydative de SbzJ. De plus, les mutations de Tyr148, Glu240 et His431 ont significativement réduit l’activité enzymatique, confirmant le rôle crucial de ces résidus dans la reconnaissance du substrat et le processus catalytique. En particulier, Tyr148, via des interactions hydrogène avec le groupe sulfonamide, est essentiel pour la reconnaissance du substrat.

4. Proposition du mécanisme catalytique

Sur la base de l’analyse structurelle et des résultats de mutagenèse, les chercheurs ont proposé un mécanisme catalytique pour SbzJ : tout d’abord, Cys273, activé par His431, attaque le substrat aldéhyde pour former un intermédiaire thiohémiacétal lié de manière covalente. Ensuite, l’hydrure de l’intermédiaire est transféré au cycle nicotinamide du NAD+, générant un intermédiaire thioester enzymatique et du NADH. Enfin, une molécule d’eau, assistée par His431 et Glu240, attaque la liaison thioester, libérant le produit carboxylate et régénérant Cys273 libre.

Conclusion et signification de l’étude

Cette étude, grâce à la résolution de la structure cristalline, aux expériences enzymatiques in vitro et à l’analyse de mutagenèse, a révélé de manière exhaustive le mécanisme catalytique de SbzJ et sa spécificité de substrat. Les recherches ont montré que SbzJ reconnaît le groupe sulfonamide via un réseau de liaisons hydrogène et utilise des résidus clés tels que Tyr148, Glu240 et His431 pour réaliser une réaction catalytique efficace. Ces découvertes approfondissent la compréhension de la fonction de SbzJ et fournissent des pistes importantes pour l’ingénierie enzymatique et le développement de nouveaux composés bioactifs.

Points forts de l’étude

1. Spécificité de substrat étendue : SbzJ peut catalyser l’oxydation de divers substrats aldéhydiques, démontrant une large spécificité de substrat.
2. Élucidation du mécanisme structurel : La résolution de la structure cristalline a révélé la base structurelle de la reconnaissance du groupe sulfonamide par SbzJ.
3. Identification des résidus clés : Les expériences de mutagenèse ont confirmé le rôle crucial de Tyr148, Glu240 et His431 dans le processus catalytique.
4. Proposition du mécanisme catalytique : Un mécanisme catalytique a été proposé, offrant un support théorique pour l’ingénierie enzymatique future.

Autres informations utiles

Les données de structure cristalline de cette étude ont été déposées dans la Protein Data Bank (PDB) sous le numéro d’accès 9JU5. De plus, cette recherche a été soutenue par le Ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie du Japon, l’Organisation pour le développement des nouvelles énergies et des technologies industrielles (NEDO) et l’Agence japonaise pour la science et la technologie (JST).

Grâce à cette étude, les chercheurs ont non seulement élucidé le mécanisme catalytique de SbzJ, mais ont également ouvert de nouvelles perspectives pour la biosynthèse des antibiotiques sulfonamides et l’ingénierie enzymatique. Les recherches futures pourront s’appuyer sur les caractéristiques structurelles de SbzJ pour concevoir des variants enzymatiques avec une efficacité catalytique accrue ou une spécificité de substrat nouvelle, permettant ainsi le développement de composés bioactifs plus prometteurs.