Analyses in silico de la structure secondaire et tertiaire prédite de GlgB

L’alignement de séquences d’enzyme de branchement d’E. coli, M. tuberculosis, d’Agrobacterium tumefasciens et de Bacillus subtilis montre une forte conservation de résidus, plus particulièrement ceux de la région centrale. L’analyse de la séquence montre la présence des quatre régions (R1-R4) fortement conservées dans les enzymes de branchement (Baba et al., 1991) (Figure 33).

Figure 33 : Représentation schématique de la structure des enzymes de branchement d’E. coli et de M. tuberculosis. Sont représentés les trois domaines de l’enzyme de branchement d’E. coli, les quatre régions conservées du tonneau (α⁄β)8 et les acides aminés dont l’importance a été mise en évidence pour la stabilité

et l’activité de l’enzyme. Ces résidus sont conservés chez M. tuberculosis

On note également une conservation des résidus (Y300, D335, H340, R403, E458, H525 et D526) importants soit pour l’activité et la stabilité de l’enzyme soit dans la liaison du substrat chez E. coli (Binderup et Preiss, 1998 ; Mikkelsen et al., 2001). Lorsqu’on associe à l’alignement de séquences les éléments de structure secondaire de GlgB d’E. coli à partir du serveur ESprit, on remarque qu’ils pourraient être tous présents dans l’enzyme de branchement de M. tuberculosis car ils coïncident avec des zones plus ou moins conservées entre les deux protéines. Ce résultat est confirmé par le modèle proposé par le serveur de modélisation (Swiss model). En absence de données de cristallographie concernant un complexe enzyme de branchement-substrat et d’α-amylase-substrat de longue chaîne, pour essayer d’apprécier la localisation du substrat par GlgB, nous avons procédé à une superposition de la structure prédite de GlgB avec celle du complexe α-amylase isozyme II de pancréas de porc et maltohexaose (Machius et al., 1996). L’enzyme de branchement est donc capable d’accommoder des oligosaccharides de taille au moins égale six résidus glucosyles (Figure 34). Ce modèle montre que la cavité du site catalytique est plus ouverte (Figure 34b) et moins profonde que celle des autres α-amylases (Figure 34a).

Figure 34 : Vue de surface de l’α-amylase de pancréas de porc en complexe avec un maltohexaose (a) dans le site actif de l’enzyme (Machius et al., 1996) et celle de l’enzyme de branchement de M. tuberculosis (b) après modélisation (Swiss model) et superposition de structure.

Ceci serait lié au fait que les boucles β2/α3 et β5/β6 des enzymes de branchement qui entourent le site catalytique sont plus courtes que celles des autres α-amylases. L’activité d’hydrolyse et de transglycosylation se faisant au même endroit, cette topologie permettrait la synthèse de molécules telles telles que le glycogène.

Lorsqu’on positionne les résidus conservés dans le modèle du complexe GlgB- maltohexaose, on remarque que la plupart de ces résidus se situent au niveau du site dans lequel le maltohexaose est positionné, et que la majorité de ces résidus pointe vers ce que pourraient être les sous sites -1 et +1 entre lesquels se produit la rupture la liaison α-(1→4) (Figure 35).

Figure 35 : Représentation du maltohexaose dans le « site catalytique » de l’enzyme et les différents acides aminés conservés par superposition de structure prédite de GlgB de M tuberculosis (Swissmodel).

III.

CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES

M. tuberculosis, agent causal de la tuberculose produit trois polysaccharides fortement riches en glucose (glucane, glycogène et les polyméthylglucoses). La particularité commune à ces composés est la prédominance de liaison de type α-(1→4). Bien qu’ayant fait l’objet de différentes études structurales, la biosynthèse de ces composés est restée inconnue. Nos résultats ont permis de montrer que la synthèse du glycogène, comme celle du glucane font intervenir au moins des gènes orthologues de ceux des étapes d’activation, d’élongation et de branchement au cours de la biosynthèse du glycogène d’E. coli. Ces gènes sont glgC (Rv1213), glgA (Rv1212c) et/ou Rv3032 et glgB (Rv1326c). A la différence de la synthèse du glycogène chez E. coli qui fait intervenir une seule voie, celle du glycogène et du glucane chez M. tuberculosis font intervenir plus d’une voie. En effet, la délétion du gène candidat de l’étape d’activation, glgC, se traduit non pas par une abolition de la production mais par une diminution de la quantité de glycogène produite. Il en est de même pour la biosynthèse du glucane. Ces résultats montrent que ces deux polysaccharides pour leur synthèse sont activés au moins en partie de la même façon.

L’étape d’élongation du glucane et du glycogène est assurée par GlgA et Rv3032, respectivement. La synthèse de ces polysaccharides suite à la délétion soit de glgA (Rv1212c) ou Rv3032, montre que soit on a une redondance entre ces deux gènes, soit il existerait d’autres glycosyltransférases capables d’allonger les précurseurs issus de l’étape d’activation. L’analyse du génome de M. tuberculosis ne permet pas, au moins par alignement de séquences protéiques, d’envisager l’existence de tels gènes. L’impossibilité de réaliser une souche délétée dans les deux gènes glgA et Rv3032 semble montrer que les glucosyltransférases codées par ces deux gènes seraient responsables de la synthèse, à partir du glucose activé, de structure de type α-(1→4)-glucosyle nécessaire à la biosynthèse du glucane et du glycogène et des polyméthylglucoses et qu’il existe une redondance entre ces gènes.

Le fait que la délétion de glgB, codant pour une enzyme de branchement (GlgB) conduise à des souches non viables montre que ce gène est essentiel à la croissance du bacille tuberculeux. L’analyse de la production du glucane et du glycogène des souches H37Rv∆glgB/pVVglgBtb et H37Rv∆glgB/pVVglgBcoli et de leurs modifications qualitatives

ont permis de mettre en évidence l’implication de Rv1326c dans le branchement de ces deux composés.

Continuer à explorer les voies de biosynthèse du glucane et glycogène chez M. tuberculosis implique la recherche de nouveaux gènes candidats. Chez certains organismes, le glucose activé sous la forme UDP-glucose intervient dans la biosynthèse du glycogène. Les données récentes de la littérature (Lai et al., 2008) sur la caractérisation de Rv0993 et ceux de Fulton et al. (2008) sur MAP2569c de M. avium sous sp paratuberculosis dont l’orthologue chez M. tuberculosis est Rv1208 montrent que ces deux gènes codent pour des UDP-glucose pyrophosphorylases et glucosyl-3-phosphoglycérate synthase respectivement.

Au vu des mécanismes d’action proposés par ces auteurs, il serait intéressant, à défaut de réaliser deux souches mutantes H37Rv∆Rv0993 et H37Rv∆Rv1208, de construire au moins le premier mutant pour deux raisons : (i) tester l’utilisation de l’UDP-glucose dans l’activation de la synthèse soit du glucane soit du glycogène, (ii) le mécanisme d’action proposé semble être en adéquation avec ce qui serait attendu pour la synthèse du glycogène et/ou du glucane. En présence ou pas de phénotype pour le mutant H37Rv∆Rv0993, pour tester la redondance entre Rv1213 et Rv0993, la construction d’un double mutant H37Rv∆Rv0993∆Rv1213 serait intéressante. Pour ce qui est de Rv1208, Jackson et Brennan. (2008), suggèrent son implication dans l’étape d’initiation de la biosynthèse des MGLPs.

L’ensemble de nos résultats suggère que la biosynthèse du glucane et celle du glycogène se réalisent à l’intérieur de la cellule ; toutefois nous sommes sans information quant au transport et à la sécrétion du glucane au travers de l’enveloppe. N’étant à ce jour pas été décrit de système d’export capable de transporter des molécules de si grande taille, il serait intéressant d’envisager une telle étude.

L’exploitation de l’enzyme de branchement comme cible thérapeutique ayant fait l’objet d’un dépôt de brevet, il serait intéressant de mettre en place un test quantitatif de l’activité de l’enzyme et de le miniaturiser afin de tester l’effet d’un plus grand nombre composés chimiques.

Poursuivre les essais de cristallogenèse pour résoudre la structure cristallographique aux rayons X de l’enzyme de branchement présente à la fois un intérêt fondamental et thérapeutique. Elle serait la première structure résolue par cristallographie aux rayons X d’enzymes de branchement sous la forme native et permettrait d’effectuer un criblage in silico d’inhibiteurs lors de la recherche de nouveaux antituberculeux. Un tel travail nécessite une optimisation de la production de l’enzyme en modifiant les conditions d’expression et de production de l’enzyme.