Structural and functional studies of the human UDP-glucuronosyltransferase 1A

L’UGT1A6 humaine appartient à la famille multigénique des UDP-glucuronosyltransférases (UGTs) qui sont responsables de la biotransformation des xénobiotiques et des substances endogènes. Cette isoforme joue un rôle important en pharmaco-toxicologie car elle est impliquée dans la métabolisation de médicaments et de substances phénoliques polycycliques. L’UGT1A6 catalyse le transfert de l’acide glucuronique, à partir du substrat donneur l’acide UDP-a-D-glucuronique, sur des phénols accepteurs hydrophobes. Le mécanisme réactionnel postulé est de type SN2 et fait appel à une base catalytique capable d’activer l’accepteur par déprotonation. Il s’ensuit une attaque nucléophile sur le carbone 1 de l’acide glucuronique et conduit à la formation d’un ß-D-glucuronide hydrosoluble avec inversion de configuration et libération d’UDP facilitée par la présence d’un cation magnésium. Le but de notre travail est d’identifier les acides aminés qui sont impliqués dans la catalyse enzymatique et dans la reconnaissance des substrats. Nous avons cherché dans un premier temps la base catalytique. Le rôle des 15 acides aminés aspartique / glutamique hautement conservés de toute la séquence codante de l’UGT1A6 humaine a été évalué par mutagenèse dirigée systématique, modification chimique et modélisation par homologie avec les glycosyltransférases dont la structure 3-D est résolue. Nous avons montré que, sauf pour les résidus aspartique Asp150 et Asp488, la substitution des résidus carboxyliques par alanine a conduit à des mutants actifs mais présentant une diminution de l’activité enzymatique et une baisse d’affinité pour le substrat accepteur et / ou le substrat donneur. En outre, la comparaison de séquences des UGTs et l’homologie avec les glycosyltransférases suggèrent que l’Asp150 joue un rôle de base catalytique. Dans un second temps, nous avons identifié l’acide aminé (His38) de l’UGT1A6 comme résidu pivot dans la reconnaissance des substrats accepteurs. L’étude a tiré profit de l’existence de 2 isoformes présentant 93% d’homologie et des spécificités de substrats très différentes : l’UGT1A4 qui métabolise que des amines et l’UGT1A3 qui métabolise les phénols, acides carboxyliques mais pas les amines. La comparaison de séquences de la famille UGT1A fait apparaître un résidu histidine très conservé dans toute les isoformes, sauf dans l’UGT1A4 ou il est remplacé par une proline. La substitution de Pro40 de l’UGT1A4 par His élargit l’activité enzymatique aux composés phénoliques et carboxyliques (spécificité de type UGT1A3). Inversement, lorsque le résidu His40 de l’UGT1A3 est remplacé par la proline, cette isoforme conjugue les amines et pas les phénols et acides carboxyliques, comme l’UGT1A4. Cette étude constitue une avancée importante sur la compréhension des mécanismes moléculaires de la glucuronoconjugaison des xénobiotiques et des médicaments. Enfin, dans une dernière partie nous avons entrepris une étude visant à établir la panoplie des UGTs présentes dans les cellules chondrocytaires articulaires chez l’homme qui sont la cible de médicaments de type anti-inflammatoires non stéroïdiens carboxyliques et d’estrogènes connus pour affecter l’homéostasie du cartilage. Les résultats montrent que plusieurs isoformes sont présentes à l’état de transcrits, à des niveaux très faibles, ne permettant pas pour l’instant de les caractériser par immunodosage ou par mesure de l’activité enzymatique.The human UDP-glucuronosyltransferase UGT1A6 is the primary phenol-metabolizing UGT isoform. It catalyzes the nucleophilic attack of phenolic xenobiotics on UDP-glucuronic acid, leading to the formation of water-soluble glucuronides. The catalytic mechanism proposed for this reaction is an acid-base mechanism that involves an aspartic/glutamic acid and/or histidine residue. Here, we investigated the role of fifteen highly conserved aspartic/glutamic acid residues over the entire sequence of human UGT1A6 by site-directed mutagenesis. We showed that, except for aspartic residues D150 and D488, the substitution of carboxylic residues by alanine led to active mutants but with decreased enzyme activity and lower affinity for acceptor and/or donor substrate. Further analysis including mutation of the corresponding residue in other UGT1A isoforms suggests that D150 play a major catalytic role. In this report, we also identified a single active site residue important for glucuronidation of phenols and carboxylic acid substrates by UGT1A enzyme family. Replacing P40 of UGT1A4 by histidine expanded the glucuronidation activity of the enzyme to phenolic and carboxylic compounds, therefore leading to UGT1A3-type isoform in terms of substrate specificity. Conversely, when H40 residue of UGT1A3 was replaced with proline, the substrate specificity shifted toward that of UGT1A4 with loss of glucuronidation of phenolic substrates. Furthermore, mutation of H39 residue of UGT1A1 (H40 in UGT1A4) to proline led to loss of glucuronidation of phenols but not of estrogens. This study provides a step forward to better understand the glucuronidation mechanism and substrates recognition, which is invaluable for a better prediction of drug metabolism and toxicity in human. In the last part of the work, we determined the UGT isoforms that are expressed in human articular chondrocytes, and which are involved in the glucuronidation of nonsteroidal anti-inflammatory drugs and estrogens known to affect cartilage homeostasy. The results showed that several isoforms were indeed expressed as a transcript, but at a very low level, making the characterisation of the enzyme via their activity or immunodosage unsuccessful