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Enveloppe nucléaire, télomères et réparation de l'ADN

Publié le 6 avril 2017
La compréhension des processus cellulaires au niveau atomique requiert la détermination de la structure tridimensionnelle de complexes protéiques, et la caractérisation de leur mécanisme d’assemblage et de dissociation. Le laboratoire s'intéresse particulièrement aux réseaux d’interaction protéine-protéine contrôlant la stabilité du génome : signalisation et réparation des dommages de l’ADN, architecture des télomères, assemblage et structure de l’enveloppe nucléaire.

Contacts

Réparation de l'ADN
Jean-Baptiste CHARBONNIER
jb.charbonnier@cea.fr

Télomères
Marie-Hélène LE DU
marie-helene.ledu@cea.fr

Enveloppe nucléaire
Sophie ZINN-JUSTIN
sophie.zinn@cea.fr

L'équipe travaille sur trois objets de recherche principaux, l'enveloppe nucléaire, les telomères et la réparation de l'ADN.


Cette équipe fait partie de l'I2BC (Biologie structurale et laboratoire de biologie des radiations / Enveloppe nucléaire, télomères et réparation de l'ADN ).

Régulation et contrôle de la stabilité du génome

L’équipe aborde la description de complexes impliqués dans le contrôle de la stabilité du génome en utilisant une approche de biologie structurale intégrative : la Diffusion des Rayons X aux petits angles (SAXS), la Résonance Magnétique Nucléaire (NMR), la Cristallographie aux rayons X et la Microscopie électronique apportent des données  expérimentales, qui sont intégrées dans des calculs de modélisation moléculaire pour obtenir des modèles tridimensionnels des complexes étudiés. L’analyse de ces modèles permet d’aller vers une meilleure compréhension du fonctionnement des réseaux d’interactions régulant la stabilité du génome.

 

Réparation de l'ADN (JB Charbonnier)

Du fait de la nécessaire régulation de ces mécanismes et de leurs nombreuses interconnexions, les complexes étudiés présentent un comportement dynamique : leur composition et leur architecture moléculaire évoluent tout au long de leur action dans la  cellule. De plus, la plupart des protéines impliquées dans la régulation de ces mécanismes sont constituées de plusieurs domaines structuraux présentant des fonctions biologiques distinctes et reliés entre eux par des régions peu structurées. Ceci facilite la coordination de leurs différentes fonctions biologiques. Le laboratoire vise à mettre en évidence des interactions de forte ou faible affinité entre des domaines de protéines, à caractériser leur mode d'interaction avec une résolution atomique et à élucider les modes de régulation de ces interactions, par des approches biochimiques combinées à des méthodes de fluorescence, calorimétrie et Résonance Magnétique Nucléaire. L’impact des modifications post-traductionnelles sur la structure tridimensionnelle et les propriétés de liaison de protéines en partie flexibles est étudié par Résonance Magnétique Nucléaire in vitro et en extraits cellulaires. La présence des complexes dans la cellule et leur rôle fonctionnel sont systématiquement abordés dans le cadre de collaborations avec des biologistes cellulaires et/ou des généticiens travaillant sur la signalisation et la réparation des dommages de l’ADN et l’organisation du noyau.


L’équipe inclue une activité de modélisation moléculaire pour la détermination de structure de larges complexes protéiques et la simulation de leurs propriétés dynamiques. Le volet modélisation moléculaire exploite les données expérimentales issues de différentes techniques mises en œuvre au laboratoire ou obtenues dans le cadre de collaborations (RMN, SAXS, EM, diffraction X, …). Les activités de simulation moléculaire vise à la description, à l’échelle atomique, de la dynamique d‘ensemble et de la thermodynamique d’interaction des protéines formant ces complexes. Deux types d’approches sont mises en oeuvre. Les méthodes classiques largement utilisées dans la communauté (CHARMM/NAMD/champ de force de classe I Charmm22) et des méthodes plus avancées développées au laboratoire (POLARIS(MD) / champs de force polarisable de classe III TCPEp). Les approches originales implémentées dans POLARIS(MD) et son portage sur des architectures massivement parallèles permettent d’envisager l’étude théorique du comportement de complexes protéiques de taille équivalente à 105-106 résidus.

Structure cristallographique du domaine C-terminal (CTD) de l'hétérodimère MutL de S. cerevisiae (Mlh1-Pms1) (A) Schéma de la voie MMR humaine. (B) Structure du CTD de MutL de levure avec en bleu et magenta les sites endonucléase et de recrutement de EXO1. (C) Position des mutations délétères observées sur des patients atteints du syndrome de Lynch. Les mutations sont coloriées selon la gravité et la nature de leur impact.

 

 

 

 

 Télomères et enveloppe nucléaire (Le Du - Zinn-Justin)

Enfin nous développons des méthodes de recherche de motifs structuraux à l’échelle atomique dans la base de données de structure des protéines, la PDB permettant l’identification de fonctions au sein des protéines, et leur l’ingénierie.Notre équipe est focalisée sur les interactions régulant la réponse aux dommages de l’ADN, l’architecture des télomères et la structure de l’enveloppe nucléaire interne, ainsi que les interconnections entre ces trois aspects. Elle a récemment décrit la structure tridimensionnelle du complexe endonucléase impliqué dans la réparation des mésappariements chez la levure, ainsi que de filaments impliqués dans l’étape de ligature de la voie de réparation des cassures double-brin d’ADN. Elle a abordé l’assemblage des protéines aux télomères chez la levure et chez l’homme. Elle a enfin obtenu un premier modèle de complexe impliquant une protéine ancrée à l’enveloppe nucléaire interne. Une dérégulation des interactions impliquées dans les mécanismes étudiés est observée dans les maladies du vieillissement : cancers, syndromes progéroïdes. L’équipe collabore avec des cliniciens pour comprendre l’impact de mutations favorisant l’apparition de ces pathologies sur le contrôle de l’intégrité du génome et la structure du noyau.

 
Représentation schématique des protéines télomériques chez la levure Saccharomyces cerevisiae et chez les mammifères
 
 
L'assemblage des virus bactériens est un système très approprié pour étudier les mécanismes moléculaires impliqués dans la formation d'une machinerie macromoléculaire et sa fonction
L’équipe est ouverte aux collaborations lorsqu’une approche de biologie structurale intégrative peut répondre aux questions biologiques posées. Elle a ainsi développé une forte collaboration avec la communauté des virologistes travaillant sur les bactériophages, en déterminant la structure tridimensionnelle de plusieurs protéines appartenant aux particules virales de phages et en reconstituant des modèles de sous complexes à partir de données de Résonance Magnétique Nucléaire, cristallographie aux rayons X et microscopie électronique.
Expertises des chercheurs de l’équipe :
Jean-Baptiste CHARBONNIER : interaction protéine-protéine, cristallographie, réparation des dommages de l’ADN
Philippe CUNIASSE : modélisation moléculaire, intégration de données hétérogènes, simulation
Pascal DREVET : production de protéines en cellules d’insectes, biochimie, réparation des dommages de l’ADN
Bernard GILQUIN : modélisation moléculaire, intégration de données hétérogènes
Marie-Hélène LE DU : cristallographie, SAXS, télomère
Michel MASELLA : modélisation moléculaire, développements pour la simulation
Sophie ZINN-JUSTIN : Résonance Magnétique Nucléaire, SAXS, enveloppe nucléaire

 

Modèles en mouvement

 
Modèle en mouvement du complexe entre les fragments du régulateur de la transcription Smad2 (3 bleus différents pour les 3 sous unités du trimère) et Man1, protéine de la membrane nucléaire interne (en jaune, orange et rouge pour les 3 protéines Man, respectivement).



Le film montre successivement une superposition de 20 modèles de :

1- domaine Smad2 MH2, trimère

2- trois domaines Man1 UHM, liés chacun à un monomère Smad2

3- un modèle du complexe

4- un modèle du complexe dans lequel l'une des sous unités de Smad2 (bleu) est remplacée par une sous unité Smad4 (vert)

5- zoom sur l'interface Man1/Smad2

 
Structure cristalline en mouvement de la région C-terminale de l'hétérodimère MutLa de S.cerevisiae, composé de Mlh1 (vert clair et foncé) et de Pms1 (jaune et orange).


Le film montre successivement :

1- la structure complète

2- la partie C terminale de Pms1 (jaune) en interaction avec Mlh1

3- la partie C terminale de Mlh1 (vert) qui contribue au site endonucléase de Pms1

4- l'interaction d'un peptide (jaune) avec Mlh1

 
Modèle en mouvement de l'interaction de surface entre TRF2 et Rap1, protéines de l'assemblage télomérique.
 

1- La structure cristalline du domaine de dimérisation de Trf2 est en jaune

2- deux modèles de Rap1 avec les résidus 1 à 211 en cyan

​Les publications de l'équipe