1. Le pont NOS

2. Mécanisme supposé de formation du pont NOS

3. La liaison NOS est un "commutateur rédox" allostérique

4. Perspectives

1. Le pont NOS

La transaldolase (TAL, E.C. 2.2.1.2) est une enzyme clé de la voie des pentoses phosphates chez tous les organismes. Par ailleurs, Neisseria gonorrhoeae (Ng) est une bactérie pathogène responsable de la gonorrhée (maladie sexuellement transmissible).

Wensien et al. (2021) ont mis en évidence un nouveau type de liaison covalente entre un résidu cystéine et un résidu lysine, appelé pont NOS, dans la transaldolase de Neisseria gonorrhoeae (NgTAL).

• A l'état réduit (en présence de β-mercaptoéthanol), le pont NOS est absent : les résidus Lys8 et Cys38 de l'enzyme NgTAL ne sont pas modifiés chimiquement et adoptent plusieurs conformations alternatives.

• A l'état oxydé, NgTAL inactive contient la liaison covalente Lys8-Cys38 ou pont NOS. L'arrangement des atomes N-O-S ressemble à celui de l'acide hydroxylamine-O-sulfonique (réactif utilisé pour l'amination) bien que l'atome de soufre dans cet acide soit dans un état d'oxydation plus élevé qu'au sein de l'enzyme.

Source : Fass & Senenov (2021)

La densité électronique à proximité immédiate de l'atome de soufre de Cys38 est compatible avec une molécule de dioxygène dissoute, ce qui suggère que l'oxydation de cette cystéine par l'oxygène moléculaire précède la formation du pont NOS.

Visualisation du pont N(O)S dans la forme oxydée de la transaldolase de Neisseria gonorrhoeae à une résolution de 0,96 Å.

Code PDB : 6ZX4

• Jaune : K₈; bleu : C₃₈.
• La molécule de dioxygène (non observée) est proche de l'atome de soufre de C₃₈, dans une région hydrophobe (I₁₄, sphère verte).
• Sphère rose : E93; sphère rouge : T101.

Le pont NOS est situé à la surface de l'enzyme et est donc accessible au solvant.

Il établit de nombreuses liaisons hydrogène avec plusieurs molécules d'eau au sein d'un réseau étendu de liaisons hydrogène incluant notamment les résidus Gly36, Glu93, Thr97 et Thr101, ce qui suggère un rôle de ces résidus dans la formation du pont NOS.

2. Mécanisme supposé de formation du pont NOS

En principe, une cystéine oxydée peut réagir avec les amines mais l'atome d'azote nucléophile attaquerait préférentiellement l'atome de soufre au lieu de l'atome d'oxygène lié au soufre (formation de sulfamides ou de sulfinamides).

• Première possibilité : le groupement thiolate de la cystéine pourrait réagir avec le dioxygène (ou une autre espèce réactive de l'oxygène) pour former une espèce [thio-(hydro)peroxy] qui réagirait avec le groupe ε-amino de Lys8. Le pont NOS covalent serait ainsi formé directement, avec libération d'eau concomitante facilitée par le transfert de proton de l'amine attaquante à la molécule d'eau partante.

• Deuxième possibilité : l'oxygène ou les espèces réactives de l'oxygène oxyderaient à la fois le groupement thiol de la cystéine et le groupement aminé de la lysine pour former l'acide sulfénique et l'hydroxylamine ou l'oxyde d'amine. Ces deux derniers composés sont de puissants O-nucléophiles avec une réactivité suffisante pour réagir avec une cystéine oxydée et former une liaison covalente : la formation du pont NOS se produirait alors simultanément avec élimination d'eau.

• Troisième possibilité : le groupement aminé de la lysine attaquerait d'abord l'atome de soufre de la cystéine précédemment oxydée (acide sulfénique ou sulfinique). Cette étape serait suivie d'une transposition sigmatropique : l'enzyme devrait déstabiliser la liaison N-S stable du sulfinamide présumé pour réorienter les orbitales et favoriser le réarrangement, par exemple en exerçant une contrainte.

Les calculs de mécanique moléculaire et les valeurs de barrière d'énergie de l'état de transition théorique sont en faveur de la deuxième possibilité.

3. La liaison NOS est un "commutateur rédox" allostérique

Le pont NOS agirait, entre autre, comme un commutateur rédox permettant à l'enzyme de basculer d'un état actif à inactif et inversement ("allosteric redox switch").

Le résidu Cys38 du pont NOS (le commutateur rédox) est situé sur une structure de type "brin étendu" qui va de la surface de la protéine au site actif et qui contient notamment les résidus du site actif :

• Ser42 dont l'atome d'oxygène (squelette carboné) forme une liaison hydrogène avec le groupe ε-aminé du résidu catalytique de l'enzyme (Lys138 qui forme une base de Schiff lors de la catalyse).
• Asn43 qui joue un rôle dans la fixation du substrat et la catalyse.

La réduction du pont NOS induit un léger ajustement conformationel de ce brin étendu qui a pour conséquence une modification de la position de Asp17, Asn43 et de certaines molécules d'eau catalytiques.

Rôle biologique

La formation du pont NOS chez les bactéries pathogènes pourrait être liée à la réponse au stress induit par les espèces réactives de l'oxygène puisque le stress oxydatif est un mécanisme de défense des cellules infectées par ces bactéries. La formation du pont NOS dans les TAL modifierait le flux métabolique via la voie des pentoses phosphates, modulant ainsi la formation du ribose pour la biosynthèse des acides nucléiques.

4. Perspectives

Des ponts NOS ont été mis en évidence dans d'autres protéines par l'analyse des données de structure de la PDB. Pour l'instant, on peut citer :

• La 8-oxoguanine glycosylase de l'homme (OGG1) impliquée dans la réparation de l'excision de bases de l'ADN dans des conditions de stress oxydatif. Le pont NOS est établi entre les résidus Cys253 et Lys249 qui est le résidu catalytique formant une base de Schiff avec un nucléotide de l'ADN.
• L'interface des protéines du complexe d'export par remodelage des membranes nucléaires ("nuclear egress") du virus de l'herpès.

De nombreuses protéines humaines impliquées dans des pathologies sont contrôlées par des phénomènes redox : le commutateur rédox NOS est susceptible de jouer un rôle dans la régulation de leur fonction.

De plus, le pont NOS est de haute énergie d'où sa réversibilité : cette caractéristique peut être exploitée en ingénierie des peptides et des protéines pour la conception de médicaments en développant des petites molécules inhibiteurs, des anticorps et des nanocorps ciblant ce type de commutateur.

Les ponts SONOS

• Certaines lysines établissent des liaisons simultanées avec 2 cystéines qui forment un pont [soufre-oxygène-azote-oxygène-soufre] (SONOS) avec un atome d'azote trivalent.

• Dans de nombreuses protéines, le pont NOS contient une lysine essentielle du point de vue de la fonction (catalyse enzymatique ou dans la fixation de substrat(s), de l'ADN ou d'effecteur(s)).

Ces données soulignent un rôle régulateur des propriétés chimiques de ce résidu d'acide aminé dans les processus biologiques rédox.

Les commutateurs [NOS / SONOS] sont fréquemment trouvés dans certaines protéines d'agents pathogènes (y compris le SARS-CoV-2) et dans des protéines chez l'homme impliquées notamment dans l'expression génique et la signalisation régulée par les processus rédox.