Structural modeling of RND family efflux pumps : From antibioresistance to chemotherapyresistance

Description

Resistance to chemotherapy can be studied comparatively to the study of resistance in microorganisms. Among the protein superfamily identified as being responsible for multidrug resistance are RND. Its members are widespread in bacterial organisms, but also in Archaea and Eukaryotes. Ptch1, a transmembrane protein, receptor of morphogen Hedgehog (Hh), a member of the RND, has cholesterol efflux activity, but also of chemotherapeutic drugs which confers resistanceto chemotherapy to cancer cells. In fact, an aberrant activity of the Hh signaling pathway has been observed in nearly 25% of cancers. Among the common features of multidrug resistance in RND is the ability of these transmembrane proteins to efflux a broad spectrum of substrates and drugs using protonmotive force.The goal of this project is the structural study of the drug efflux mechanism of Ptch1.In a first step, since we did not yet have access to a structure of Ptch1, we have performed an analysis of the numerous available structures of its bacterial counterpart AcrB, the RND paradigm model responsible for antibiotic resistance in gram-negative bacteria, in order to better understand the drug efflux mechanism of these proteins. We have implemented a strategy of conformational analysis of all available structures in order to explain the complex mechanism, including the drug efflux mechanism of these proteins, as a function of the structural and dynamic properties of sub-domains. The tools developed have been made available to the community.The structures of Ptch1 published in 2018 and 2019 revealed that the drug efflux mechanism of Ptch1 was probably very different from that of AcrB. In a second step, using these structures, we studied the cholesterol efflux mechanism of Ptch1 by molecular dynamics in order to subsequently study the drug efflux mechanism. We thus identified certain characteristics of the conformational changes that cantake place to allow this efflux. Finally, the docking of chemotherapeutic agents carried by Ptch1 suggests that drugs use the same interaction sites as cholesterol and potentially the same efflux mechanism.

Abstract (French)

La résistance à la chimiothérapie peut-être étudiée comparativement à l'étude de la résistance chez les microorganismes. Parmi les superfamilles de protéine identifiées comme étant responsables de résistance aux drogues, il y a les RND. Ses membres sont très répandus dans les organismes bactériens, mais aussi les archaea et les eucaryotes. Ptch1, protéine transmembranaire récepteur du morphogène Hedgehog (Hh), membre des RND, a une activité d'efflux de cholestérol, mais aussi de médicaments chimiothérapeutiques qui confère aux cellules cancéreuses une résistance à la chimiothérapie. Or, une activité aberrante de la voie de signalisation Hh a été observée dans près de 25 % des cancers. Parmi les caractéristiques communes à la résistance aux drogues des RND, il y a la capacité de ces protéines transmembranaires à faire de l'efflux d'un large spectre de substrats et de drogues, et ce, en utilisant la force proton motrice.L'objectif de ce projet est l'étude structurale du mécanisme d'efflux de drogues de Ptch1.Dans un premier temps, n'ayant pas encore accès à une structure de Ptch1, nous avons réalisé une analyse des nombreuses structures disponibles de son homologue bactérien AcrB, modèle paradigme des RND responsable de résistance aux antibiotiques chez les bactéries gram négatives, afin de mieux comprendre le mécanisme d'efflux de drogues de ces protéines. Nous avons mis en place une stratégie d'analyse conformationnelle de l'ensemble des structures disponibles de façon à expliquer le mécanisme complexe, notamment ceux d'efflux de drogues de ces protéines, en fonction des propriétés structurales et dynamiques de sous-domaines. Les outils développés ont été mis à disposition de la communauté.Les structures de Ptch1 publiées en 2018 et 2019 ont révélé que le mécanisme d'efflux de drogues de Ptch1 était probablement très différent de celui d'AcrB. Dans un second temps, en utilisant ces structures, nous avons étudié le mécanisme d'efflux de cholestérol de Ptch1 par dynamique moléculaire afin d'étudier par la suite celui des drogues. Nous avons ainsi identifié certaines caractéristiques des changements conformationnels pouvant avoir lieu afin de permettre cet efflux. Enfin, le docking des agents chimiothérapeutiques transportés par Ptch1 suggère que les drogues utilisent les mêmes sites d'interaction que le cholestérol et potentiellement le même mécanisme d'efflux.

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