L'isoaspartate (isoAsp) se forme lorsqu'une asparagine ou un aspartate d'une protéine se réarrange spontanément via un aspartimide intermédiaire, insérant un groupe méthylène supplémentaire dans le squelette peptidique. Cette modification est généralement considérée comme un dommage lié au vieillissement et s'accumule dans les protéines à longue durée de vie, par exemple dans les cristallines du cristallin. Pourtant, dans la protéine ribosomique uS11, l'isoaspartate est présent de façon stoechiométrique chez les bactéries, les archées et les eucaryotes, ce qui indique un rôle fonctionnel. Le paradoxe est que, chez Escherichia coli, le temps de doublement est d'environ 20 minutes, alors que la conversion spontanée de l'asparagine en isoaspartate prend des jours. Il doit donc exister une enzyme qui accélère cette réaction.
Pour trouver un candidat, les auteurs ont utilisé AlphaFold3 afin de prédire les complexes d'uS11 avec les 4403 protéines du protéome d'E. coli. Sur l'ensemble de ces protéines, seules trois ont donné un modèle de liaison fiable, et seule YbeY plaçait l'asparagine-119 d'uS11 dans une position catalytiquement compétente à proximité d'un ion zinc. Ensuite, YbeY et uS11 ont été exprimées et purifiées, et la formation d'isoaspartate a été détectée par spectrométrie de masse après trypsinolysse. Pour vérifier le mécanisme, les auteurs ont utilisé des variants mutants de YbeY, la calorimétrie isotherme de titration pour mesurer la liaison du zinc et le titrage par RMN du complexe de Thermotoga maritima. Une analyse phylogénétique de 189 801 génomes bactériens issus de la base GTDB a permis de relier la présence de YbeY au motif asparagine-glycine dans uS11.
YbeY d'E. coli transforme en une heure in vitro la quasi-totalité d'uS11 en forme portant un isoaspartate en position 119. La réaction dépend du zinc : l'ajout d'EDTA l'inhibe partiellement, et la mutation H114A, qui perturbe la coordination du zinc, réduit l'activité à 50 %. Des mutations de résidus impliqués dans la liaison du substrat (T42, R44, D85) affaiblissent également la catalyse, tandis que la substitution R59A, importante pour l'activité RNase de YbeY, n'affecte pas la formation d'isoaspartate. Cela indique un site actif distinct pour la modification de la protéine. La phylogénétique a montré que la perte de YbeY dans certaines lignées bactériennes s'accompagne d'un remplacement de l'asparagine-119 par une glycine ou d'une troncature d'uS11. Chez les archées et les eucaryotes, le rôle de YbeY est probablement assuré par l'ATPase Fap7 : dans la structure cristalline du complexe Fap7–uS11 de Pyrococcus abyssi, les auteurs ont découvert que le résidu 124 est en réalité un isoaspartate, et non un aspartate comme on le pensait auparavant. La cryo-microscopie électronique de ribosomes d'une souche d'E. coli dépourvue de ybeY a montré que l'absence de modification ne change pas le repliement d'uS11, mais perturbe la liaison de la protéine ribosomique bS21 : sa densité dans la carte diminue, et le contact entre l'arginine-35 de bS21 et l'isoaspartate-119 d'uS11 disparaît. Les ribosomes sans YbeY s'associent moins bien en particules 70S et ne traduisent la protéine rapporteur qu'à 30 % de la normale.
Ce travail transforme l'isoaspartate, de marqueur de dommage, en modification post-traductionnelle régulée, importante pour l'assemblage du ribosome. La découverte de deux voies enzymatiques indépendantes (YbeY chez les bactéries et Fap7 chez les archées et les eucaryotes) montre que cette modification est apparue au moins deux fois au cours de l'évolution. Le lien entre l'isoaspartate d'uS11 et la rétention de la protéine bS21 explique pourquoi les mutations qui perturbent cette modification entraînent des défauts de traduction et un ralentissement de la croissance.
Il reste à déterminer comment YbeY coordonne précisément le zinc et le substrat dans l'état de transition, et à confirmer le mécanisme proposé via l'intermédiaire aspartimide. Pour Fap7, il faut prouver qu'il phosphoryle réellement l'aspartate et catalyse l'isomérisation, et non qu'il se contente de lier uS11. Il serait également intéressant de vérifier s'il existe d'autres protéines modifiées par YbeY, et comment l'isoaspartate d'uS11 influence la dynamique du ribosome pendant la traduction.
Les résultats sont importants pour la biologie moléculaire de la traduction, la biologie structurale des ribosomes et la compréhension des modifications post-traductionnelles. Ils pourraient aussi être utiles pour le développement d'antibiotiques ciblant YbeY, car cette enzyme est conservée chez les bactéries mais absente du cytoplasme humain.
Déterminer la structure cristalline ou cryo-EM du complexe YbeY–uS11 dans un état catalytiquement actif, afin de visualiser la coordination du zinc et l'orientation du substrat. Vérifier l'activité de Fap7 in vitro à l'aide de protéines purifiées et d'ATP. Étudier quelles autres protéines pourraient être des substrats de YbeY dans la cellule.
Ce travail relie deux problèmes fondamentaux de la biologie moléculaire : le mécanisme d'assemblage du ribosome et le rôle des modifications post-traductionnelles dans ce processus. Il montre que l'isoaspartate, généralement considéré comme un dommage spontané, peut être créé enzymatiquement pour remplir une fonction structurale. Cela change notre regard sur l'évolution des protéines ribosomiques et sur la manière dont les cellules contrôlent la fidélité de la traduction.
La conversion spontanée de l'asparagine en isoaspartate dans un peptide portant le motif Asn-Gly a une demi-vie d'environ 1,2 jour, mais YbeY accélère cette réaction jusqu'à l'échelle de quelques minutes, ce qui est nécessaire pour assembler le ribosome pendant le cycle cellulaire d'E. coli (environ 20 minutes).
Non publié sur arXiv. Voici sa page, le PDF et la formalisation : vous pouvez vérifier vous-même, pas seulement lire notre analyse.