Étude structurale conformationnelle des toxines de l’anthrax par cryo-microscopie et dynamique moléculaire

Abstract

Les toxines de l’anthrax font partie de la famille des toxines A-B dans laquelle la moitié B se fixe à la membrane de la cellule permettant par la suite la translocation de la moitié A. Dans le cas de l’anthrax, la moitié B est représentée par le Protective Antigen (PA) et la moitié A par les deux protéines Edema Factor (EF) et Lethal Factor (LF). Après le recrutement par les récepteurs cellulaires (CMG2 et TEM8), PA s’organise en heptamère. Il peut fixer jusqu'à 3 ligands (EF et LF) avant d'être endocyté. Les modèles actuels de PA suggèrent que la baisse de pH à l’intérieur des endosomes permet un changement de conformation de la forme pré-pore vers la forme pore et que les ligands EF et LF passeraient au travers le pore pour entrer dans le cytoplasme. Cependant, le diamètre du pore est environ dix fois inférieur à celui des ligands (10 Å contre 100 Å). Un processus de folding/unfolding a été proposé mais demeure controversé.

Afin d'identifier le processus de passage des facteurs EF et LF dans le cytoplasme, nous avons déterminé par cryo-microscopie électronique combinée avec l’analyse d’image les structures tridimensionnelles des complexes formés par PA et LF aux étapes prépore et pore. Par la suite, une étude complémentaire par dynamique moléculaire nous a permis de modéliser à haute résolution les différentes interactions qui ont lieu au sein du complexe.

La structure 3D du complexe prépore combiné à 3 LF a été déterminée à une résolution de 14 Å. Nous avons aussi calculé une structure préliminaire du complexe pore également combiné à 3 LF Celles-ci n’ont jamais été résolues auparavant et leur connaissance permet d’envisager l’étude en profondeur du mécanisme infectieux de l’Anthrax in vivo.

The anthrax toxins are part of the A-B toxin family in which the B moiety binds to the cell membrane allowing subsequent translocation of the A moiety. In the case of anthrax, the B moiety consists of the Protective Antigen (PA), and the A moiety is composed of the two proteins Edema Factor (EF) and the Lethal Factor (LF). After being recruited by the cell receptors (CGM2 or TEM8), PA organizes itself into a heptamer. It can bind up to three ligands (either EF or LF) before being endocytosed. Current models suggest that the decrease of pH inside the endosomes allows a conformational change of PA from a prepore form to a pore form that allows the EF and LF ligands to pass through the pore and enter the cytoplasm. However, the pore diameter is about ten times smaller than the diameter of the ligands (10Å versus 100Å). A process of ligand folding / unfolding has been proposed, but remains controversial.

To identify the mechanism by which EF and LF enter the cytoplasm, we have used cryo-electron microscopy and three-dimensional image analysis to determine the 3D structure of the PA-LF complexes in the pre-pore and pore conformations. Then, we used molecular dynamics to modelise at high resolution the different interactions that occur within the complex.

The 3D structure of the pre-pore complex bound with three LF ligands has been determined at 14Å resolution. We also calculated a preliminary structure of the LF-bound pore complex. These structures have never been reported before. They provide the necessary information to study in depth the mechanism of anthrax infection in vivo.