Architecture de l'Hème

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 5190 (2023) Citer cet article

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Les cytochromes c mono- et multihèmes sont mûris après la traduction par l'attachement covalent de l'hème. Pour cela, Escherichia coli utilise le type de machinerie de maturation le plus complexe, le système Ccm (pour la maturation du cytochrome c). Il se compose de deux complexes protéiques membranaires, dont l'un transporte l'hème à travers la membrane jusqu'à un chaperon mobile qui délivre ensuite le cofacteur au deuxième complexe, une apoprotéine : hème lyase, pour une fixation covalente. Nous rapportons ici les structures cryo-microscopiques électroniques du complexe de translocation de l’hème CcmABCD de E. coli, seul et lié au chaperon de l’hème CcmE. CcmABCD forme un complexe hétérooctamérique centré autour du transporteur ABC CcmAB qui ne transporte pas à lui seul l'hème. Nos données suggèrent que le complexe fait basculer un groupe hème du feuillet interne vers le feuillet externe au niveau de ses interfaces CcmBC, entraîné par l'hydrolyse de l'ATP au niveau de CcmA. Un motif conservé de gestion de l'hème (WxWD) du côté périplasmique de CcmC fait pivoter l'hème de 90 ° pour une fixation covalente au chaperon de l'hème CcmE que nous trouvons en interaction exclusivement avec la sous-unité CcmB.

Les cytochromes c constituent une famille diversifiée et polyvalente de métalloprotéines présentes dans tous les règnes de la vie1. Ils contiennent une ou plusieurs copies du cofacteur tétrapyrrole Fe-protoporphyrine IX, ou hème, et leur caractéristique déterminante est l'attachement covalent de ce fragment métalloorganique à des motifs de liaison caractéristiques de la séquence C-Xn-CH (le plus souvent n = 2 ; supplément Figure 1a)2. Le but de cette modification post-traductionnelle est au moins double. Premièrement, les cytochromes c sont invariablement déployés dans un environnement extracytoplasmatique, de sorte que l'attachement covalent sert à prévenir la perte de cofacteur. Deuxièmement, la fixation des groupes hème à la chaîne peptidique élimine le besoin de former des poches de liaison volumineuses, permettant un rapport cofacteur:protéine très élevé et avec lui la formation de chaînes serrées de groupes hème au sein d’une seule protéine3. Par conséquent, les rôles typiques des cytochromes c sont le transfert d’électrons ou la catalyse de réactions redox multiélectroniques4. Le membre le plus important de cette famille de protéines est sans doute le cytochrome c monohème de la chaîne respiratoire mitochondriale, où il transporte les électrons du complexe du cytochrome bc1 vers le cytochrome c oxydase5. Cependant, les procaryotes ont développé des systèmes d’une complexité bien plus élevée6, avec plusieurs voire des dizaines de groupes hèmes sur une seule chaîne peptidique. Certains organismes tels que Geobacter sulfurreducens codent pour plus d’une centaine de cytochromes c multihèmes dans leur génome7. La maturation des cytochromes c est élaborée. Les apo-cytochromes contiennent une séquence signal pour l'exportation du cytoplasme via le translocon Sec, et la chaîne peptidique naissante est ensuite traitée dans le compartiment extracytoplasmatique par un complexe hème lyase qui reconnaît les motifs de liaison à l'hème et médie l'attachement covalent du cofacteur par en ajoutant les deux groupes cystéine thiol à ses chaînes latérales vinyle. Le plus remarquable est que ce processus est indépendant de la séquence globale de la protéine et fonctionne pour des apocytochromes de tailles très différentes. La chaîne peptidique est analysée par la lyase qui reconnaît spécifiquement les motifs de liaison à l'hème. Dans toutes les hème lyases connues, les protéines de la famille « hème-manipulation » jouent un rôle crucial et leur caractéristique est un motif riche en tryptophane, abrégé sous le nom de « motif WxWD », par lequel les cofacteurs sont retenus et positionnés pour interagir avec la protéine. . Comme les cytochromes c constituent une famille de protéines évolutivement ancienne, les maturases se sont diversifiées au fil du temps et les classifications actuelles répertorient cinq systèmes différents d'hème lyases9,10. Le plus complexe d'entre eux est le système I, le système Ccm (pour la maturation du cytochrome c) que l'on retrouve dans les protéobactéries α et β, les mitochondries végétales, les déinocoques, les archées et certaines protéobactéries γ et δ. Dans la plupart des cas, il est codé dans un seul opéron de composition ccmABCDEFGHI (Fig. 1b supplémentaire), dont les produits protéiques forment deux complexes protéiques membranaires intégraux dotés de fonctionnalités distinctes . Ici, un complexe CcmFHI sert de module hème lyase qui scanne l'apopeptide, réduit les disulfures qui peuvent s'être formés dans l'environnement oxydant via un module thiorédoxine et attache les cofacteurs hème à la sous-unité centrale lyase CcmF12,13. CcmG est une thiorédoxine de type DsbA qui fournit des équivalents réducteurs au complexe lyase. Le deuxième module est CcmABCD, un autre complexe protéique membranaire intégral centré sur le transporteur ABC CcmAB. Il a été décrit comme un exportateur d’hème qui transloque les cofacteurs à travers la membrane pour les attacher au chaperon de l’hème CcmE dans le périplasme. CcmE est une protéine membranaire monotopique qui se replie dans un domaine compact en barillet β et forme une liaison covalente avec l'hème avec un résidu histidine situé dans sa queue C-terminale flexible . CcmE est l'élément qui relie le complexe de translocation de l'hème CcmABCD et le complexe de l'hème lyase CcmFHI17, et bien que CcmF contienne invariablement un groupe hème de type b, ce ne sont que les cofacteurs délivrés via CcmE qui sont liés aux chaînes apo-cytochromes (Fig. 1c).