Glycobiologie moléculaire et structurale

L’équipe GlycoBiologie Moléculaire et Structurale (GBMS) étudie les relations structure-fonction des protéines avec des molécules glucidiques complexes (oligosaccharides, glycoconjugués et polysaccharides). Sa recherche est à l'interface Chimie-Biologie avec une expertise pluridisciplinaire en bioinformatique, biologie moléculaire, biochimie et enzymologie, cristallographie des protéines au rayons X, analyse des interactions protéines-carbohydrates et méthodes de modélisation moléculaire. Son activité de recherche est menée selon les axes principaux suivants :

-La biosynthèse des glucides complexes par les glycosyltransférases (GTs).

-La dégradation des polysaccharides complexes par les Polysaccharide Utilisation Loci (PULs).

-La reconnaissance des glycoconjugués par les lectines.

-L’analyse structurale d'oligo- et polysaccharides.

Les sucres ou glucides sont des composants essentiels de tout organisme vivant. Ils représentent la plus abondante et la plus diversifiée des quatre classes de biomolécules et des ressources naturelles de la planète. Ils sont les constituants majeurs de n'importe quelle surface cellulaire et constituent la première couche d'information (glycocode) reçue et envoyée d'une cellule. L’ensemble des sucres d’une cellule constitue le glycome qui est caractéristique de l'identité et du destin des cellules, mais qui est aussi une signature de santé et de maladie. Les glucides présentent un large éventail de fonctions : ils peuvent servir de composants structurels, de source d'énergie et sont des éléments clefs dans de nombreux processus de reconnaissance moléculaire. Les monosaccharides (nb°>100) peuvent s’associer entre eux selon plusieurs types des liaisons pour former des oligo ou polysaccharides ou avec des lipides et des protéines pour former les glycoconjugués. Les glucides peuvent être branchés et/ou modifiés (sulfatation, phosphorylation, acétylation). En parallèle de leur diversité, il existe une pléiade de protéines qui interagissent avec les sucres telles les enzymes de synthèse (glycosyltransférases, GTs), de modification ou de dégradation (glycoside hydrolases (GHs), lyases, estérases, lytiques polysaccharide monooxygenases (LPMOs) ou encore les protéines de reconnaissance (lectines). Comprendre le mécanisme de ces enzymes ainsi que le processus de reconnaissance des lectines ainsi que les propriétés des glucides est d'une grande importance au niveau fondamental mais aussi appliqué notamment dans les domaines médical et industriel.

 

La biosynthèse des glucides complexes par les glycosyltransférases (GTs):
C. Breton and O. Lerouxel

La glycosylation est quantitativement la réaction biochimique la plus importante sur Terre et ses aberrations sont rencontrées dans de nombreuses maladies chroniques comme l'inflammation et le cancer. Les glycosyltransférases sont un facteur clé de ces processus et il est important de progresser dans la connaissance de leur régulation et de leur mécanisme. Au cours des dernières années, nous avons concentré nos efforts sur les GTs végétales impliquées dans la biogenèse des membranes photosynthétiques et de la paroi cellulaire végétale. Les principaux résultats concernent la résolution de la structure 3D de MGD1, la galactolipide synthase majeure chez les plantes, qui ont révélé des informations importantes sur son mécanisme et ses propriétés de liaison aux membranes. Ces résultats nous ont permis de proposer un modèle d'association membranaire de MGD1 dans l'enveloppe chloroplastique pouvant expliquer le transit des galactolipides vers les thylakoïdes embryonnaires.
Les parois cellulaires végétales sont des réseaux complexes et dynamiques constitués principalement de cellulose, d'hémicelluloses et de pectines. L'hémicellulose la plus abondante dans le règne végétal est le xyloglucane, un polysaccharide fucosylé avec un squelette semblable à celui de la cellulose. Le xyloglucane est une cible d'étude intéressante pour avoir une vision globale du rôle du remodelage de la paroi cellulaire dans le développement des plantes. Ce polymère renouvelable a des propriétés polyvalentes qui pourraient être utilisé dans une grande variété d'applications allant de la santé à la microélectronique. Nous abordons la question de la biosynthèse du xyloglucane et nous avons réussi l'expression hétérologue, la purification et la résolution de la structure de FUT1, une fucosyltransférase qui participe à la synthèse du xyloglucane chez Arabidopsis. Nos résultats fournissent des informations sur le mécanisme de réaction et la sélectivité de l'enzyme. Ils suggèrent également que l'unité fonctionnelle de FUT1 est un dimère, ce qui peut expliquer sa préférence pour les grands substrats accepteurs. Ces travaux ont conduit à la première structure d'une GT de paroi cellulaire végétale. Nous développons dans le cadre d’un projet Glyco@Alps avec le laboratoire SYMMES une puce pour aider à la caractérisation de l'activité enzymatique des GTs ainsi qu’à l'identification de leurs substrats.

 

La dégradation des polysaccharides complexes par les PULs :
W. Helbert, S. Drouillard & M. Couturier

Dans cet axe de recherche, nous participons à l'effort mondial d’attribution de la fonction des gènes codant pour les enzymes putatives de dégradation des polysaccharides et à la compréhension de la dégradation des polysaccharides complexes. La découverte de nouvelles enzymes, sont de nouveaux outils pour la caractérisation structurale de la diversité des polysaccharides. Les enzymes permettent également de produire de nouveaux oligosaccharides en tant que composés bioactifs potentiels. Notre stratégie s'articule autour de 3 axes principaux:

1-Sélection bioinformatique de gènes codant pour des enzymes putatives de dégradation des polysaccharides (Data mining). Nous utilisons deux approches principales : i) nous sélectionnons des protéines dont les séquences sont divergentes des enzymes prédites ou caractérisées et ii) nous analysons systématiquement toutes les protéines codées par les « Polysaccharides utilization loci » (PUL) incluant les enzymes prédites et inconnues. Nous nous concentrons sur les PUL identifiés dans les génomes des bactéries du microbiote intestinal humain potentiellement impliquées dans la dégradation des polysaccharides végétaux et des polysaccharides sulfatés d'origine marine. Nous étudions principalement les glycosides hydrolases, les polysaccharides lyases et les carbohydrate sulfatases, mais d'autres enzymes telles que les LPMO et les estérases nous intéressent également. Ces travaux sont réalisés en collaboration avec les membres de l’AFMB (Marseilles) responsables de la banque de données CAZy (cazy.org),

2- Enrichissement et caractérisation structurale d'une collection unique d'oligo- et polysaccharides. Afin de découvrir des enzymes ayant de nouvelles spécificités, nous maintenons et enrichissons une collection unique d'environ 200 substrats oligo- et polysaccharides. Elle est régulièrement complétée par de nouveaux substrats préparés au laboratoire ou acquis dans le cadre de collaborations. Les structures de polysaccharides les plus originaux sont analysés en détail à l'aide du service PCAN (CERMAV) et de la plateforme RMN (ICMG),

3- Criblage et caractérisation des nouvelles enzymes. Depuis 2016, nous avons produit environ 700 protéines et nous planifions la synthèse et le criblage de 600 nouvelles cibles. Pour faire face au nombre d'enzymes nouvellement identifiées au laboratoire et au nombre d'expériences de criblage, la mise en place d'un outils bio-informatiques « Crazypol » nous permet de gérer à la fois notre collection de substrats et notre banque de protéines. Nous allons étendre notre champs d’investigations grâce un système d'expression spécifique pour l'étude des carbohydrate-sulfatases que nous avons développé au laboratoire.

Les études des modes d'action et des spécificités des enzymes les plus originales sont conduites à l'aide d'approches enzymologiques modernes incluant des méthodes de chromatographie et spectroscopie (RMN, spectrométrie de masse).

 

La reconnaissance des glycoconjugués par les lectines :
A. Imberty & A. Varrot

Les lectines sont des récepteurs protéiques capables de reconnaître spécifiquement les carbohydrates notamment les glycoconjugués qui recouvrent la surface de toute cellule sans les modifier. Les interactions lectines-glycoconjugués sont essentielles dans de nombreux processus cellulaires tels la cohésion des tissus, l'immunité, la fécondation mais aussi dans des processus pathologiques comme l'infection. Les lectines sont capables de déchiffrer le glycocode qui est l'un des principaux objectifs de la glycomique, une discipline en pleine expansion nécessitant encore de nombreux outils et avancées technologiques. Les lectines ont un très grand potentiel pour des applications biotechnologiques et biomédicales.
Les lectines jouent un rôle essentiel dans les interactions hôtes-pathogènes, soit en tant que molécule de défense de première ligne contre les organismes étrangers, soit en favorisant l'adhésion microbienne, étape cruciale dans l'initiation des infections. Les lectines sont aujourd’hui ciblées pour le développement de glycocomposés antiadhésifs qui pourraient être utilisés comme nouveaux anti-infectieux. De nombreux processus cancéreux sont associés à des modifications de glycosylation qui peuvent être reconnues spécifiquement par les lectines. Les lectines sont donc des outils recherchés pour aider au diagnostic et au pronostic de cancers car elles peuvent différencier les cellules saines des cellules cancéreuses mais aussi pour le contrôle de la glycosylation des produits biothérapeutiques. Nous développons en collaborations avec la société GLYCODIAG, l’IBS et le DCM une puce à lectines recombinantes pour la détection en temps réel des principales structures glycaniques indésirables dans les produits biothérapeutiques.
Nous nous intéressons à l'identification de nouvelles lectines à la fois au niveau de leur repliement ou de leur spécificité, à l’obtention des bases atomiques régissant les interactions carbohydrates-protéines et dans l'ingénierie des lectines pour modifier leur spécificité ou leur multivalence. Nous concevons aussi des neo-lectines, en utilisant les outils de la biologie synthétique pour assembler différents modules peptidiques.
Depuis 2005, nous avons étudié une quarantaine de lectines et résolu la structure cristalline de 31 lectines d'origines diverses: bactérienne, fongique, invertébrés, algues, plantes ou eucaryotes sous forme apo ou en complexe avec des ligands naturels ou des inhibiteurs. Cela a conduit au dépôt d'environ 90 structures dans la Protein Data Bank, à la découverte d’un nouveau repliement protéique et de nouveaux arrangement quaternaires.

Bases de données

L’équipe GBMS développe des outils et des bases de données en glycosciences: Glyco3D et Unilectin  et participe à la diffusion des connaissances en glycosciences dans Glycopedia. Elle développe de nouvelles approches graphiques pour visualiser (SweetUnityMol), étudier mais aussi enseigner les glycosciences. Une plateforme de réalité virtuelle a été mise en place au CERMAV par S. Perez et a été ouverte à un large public.

 

Financements

L’équipe GBMS est partenaire du CDP Glyco@Alps dans le cadre de l’IDEX Université Grenoble Alpes, du Labex Arcane et des réseaux multidisciplinaires de formation innovante - European Joint Doctoral program : "PhD4GlycoDrug" ) et ITN2018 "synBIOcarb" financés par la Commission européenne dans le cadre de l'action Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie. Elle participe à plusieurs actions Cost : CM1102, CA18132 and CA1803. Elle est actuellement aussi soutenue par l’Agence Nationale pour la Recherche au travers des projets : GlycoMime, LectArray, GreenAlgohol, l’association Vaincre la Mucoviscidose, l’institut Carnot « Polynat » et le CNRS.

 

Liste des publications (5 dernières années)

Les membres actuels :