Iron-sulfur cluster assembly mechanism, role of frataxin

La biosynthèse des centres Fe-S est un processus impliquant un très grand nombre de protéines et la déficience de l’une de ces protéines conduit à des pathologies sévères : anémie, processus neurodégénératif, diabètes, hypertrophie cardiaque et même cancers. Ces centres Fe-S sont des groupements prosthétiques de protéines impliquées dans une multitude de processus redox tels que la production d'ATP, la catalyse enzymatique, la synthèse protéique ou encore la maintenance de l'intégrité du génome. Les stratégies thérapeutiques basées sur le développement de composés capable de mimer la fonction des protéines assurant la synthèse des centres Fe-S sont peu développées en raison du manque d'information sur les mécanismes moléculaires et biochimiques de synthèse de ces cofacteurs métalliques particulièrement versatiles. Le projet de thèse s’est principalement intéressé à l’élucidation du mécanisme de biosynthèse des centres Fe-S par la machinerie ISC et au rôle fonctionnel de la frataxine dans ce processus qui est une protéine centrale dont le défaut d'expression conduit à l'ataxie de Friedreich, une maladie neurodégénérative et cardiaque. En effet, la séquence d’assemblage de ces centres Fe-S était mal défini notamment sur la coordination de l’insertion du fer et du soufre pour former un centre polynucléaire Fe-S. De plus, la nature du produit final de cette machinerie ISC était sujette à débat : [2Fe2S] ou [4Fe4S]. L'objectif principal de ce projet de thèse était de reconstituer in vitro la machinerie d'assemblage des centres Fe-S, eucaryote et procaryote, à partir des protéines purifiées afin de déterminer les bases biochimiques et structurales du processus d'assemblage en utilisant un panel de techniques biochimiques (cinétique d’assemblage, test d’alkylation) et biophysiques (spectroscopies Mössbauer, RMN, RPE, spectrométrie de masse native et dichroïsme circulaire), dans le but de comprendre comment les centres Fe-S sont synthétisés et comment la frataxine régule ce processus.Iron-sulfur clusters biogenesis is a process involving numerous proteins and the defects of one of them lead to severe diseases such as anaemia, neurodegenerative process, diabetes, cardiac hypertrophy and cancers. Iron-sulfur (Fe-S) clusters are critical prosthetic groups of proteins involved in redox processes such as ATP production, enzymatic catalysis, protein synthesis and maintenance of genome integrity. Therapeutic strategies based on the development of drugs mimicking the function of the proteins that perform the synthesis of these clusters are still in their infancy due to the lack of understanding of the exact molecular and biochemical mechanisms of their synthesis. The PhD project has mainly focused on the mechanism of Fe-S cluster biosynthesis by the ISC machinery and the functional role of frataxine in this process, a key regulator of the whole process, for which a defective expression leads to Friedreich's ataxia, a severe neurodegenerative and cardiac disease. Indeed, the assembly sequence of these Fe-S clusters was poorly defined, especially on the coordination of the insertion of iron and sulfur to form a polynuclear Fe-S cluster. Moreover, the nature of the final product of this ISC machinery was subject to debate: [2Fe2S] or [4Fe4S]. The global aim of the PhD project was to reconstitute the Fe-S cluster assembly machinery, eukaryote and prokaryote, with purified proteins to determine the structural basis of the assembly process using a panel of biochemical (kinetics, alkylation assay) and biophysical (Mössbauer, NMR, circular dichroism and EPR spectroscopies and native mass spectrometry) techniques, in order to understand how Fe-S clusters are synthesized and how frataxin regulates this process