Structural and functional study of the recognition and metabolization of puric and pyrimidic DNA lesions by the Formamidopyrimidine-DNA glycosylase

Abstract

Les oxydations sur les bases nucléiques constituent l’une des sources principale d’apparition de lésions sur l’ADN, qui peuvent être mutagènes ou létales pour les cellules en l’absence de réparation de l’ADN. La Formamidopyrimidine-ADN glycosylase (Fpg), une enzyme procaryote du système de réparation de l’ADN par excision de base (BER), initie la réparation d’un large panel de lésions de ce type via ses activités ADN glycosylase (excision de la base oxydée) et AP lyase (clivage du site abasique par ß,d-élimination). Nous avons réalisé des études fonctionnelles par des techniques biochimiques et structurales par cristallographie des rayons X afin de préciser la spécificité de substrat et le mécanisme catalytique de Fpg. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence des déterminants structuraux permettant à cette enzyme d’accommoder des lésions de tailles très différentes dans son site actif, en l’occurrence des résidus 2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine (FapyG) substitués ou non en N7 par des adduits encombrants. D’autre part, nous avons caractérisé structuralement et fonctionnellement la reconnaissance et l’excision par Fpg d’une lésion pyrimidique, la 5-hydroxy-5-méthyle-hydantoïne (Hyd). Ainsi, nous avons montré que cette lésion appariée à une cytosine était un bon substrat pour l’enzyme, et nous avons précisé structuralement le mode de reconnaissance de l’Hyd par Fpg. D’autre part, nous avons mis en évidence un comportement inattendu de l’enzyme sur ce substrat. En l’occurrence, nous avons montré biochimiquement et structuralement qu’un pontage covalent se formait en quantités non négligeables entre Fpg et l’Hyd dans des conditions physiologiques.Oxidations on nucleic bases constitute one of the major sources of DNA lesions appearance, which can be mutagenic or lethal for cells in the absence of DNA repair. The prokaryotic Formamidopyrimidine-DNA glycosylase (Fpg), a base excision DNA repair (BER) enzyme, initiate the repair of a wide range of such lesions via its DNA glycosylase (excision of the oxidized base) and AP lyase (cleavage of the AP site by ß,d-elimination) activities. We carried out functional studies by biochemical techniques and structural studies by X-ray crystallography so as to state Fpg’s substrate specificity and catalytic mechanism. Thus, we have been able to underline the structural determinants enabling this enzyme to accommodate lesions of very different sizes in its active site, in this case 2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine (FapyG) residues N7-substituted or not by bulky adducts. On the other hand, we structurally and functionally characterized the recognition and excision by Fpg of a pyrimidic lesion, the 5-hydroxy-5-methyl-hydantoin (Hyd). Thus, we have shown that this lesion paired with a cytosine was a good substrate for the enzyme, and stated structurally the recognition mode of Hyd by Fpg. On the other hand, we have underlined an unexpected behaviour of the enzyme on this substrate. In this case, we have biochemically and structurally shown that a covalent link was formed in sizeable quantities between Fpg and Hyd in physiological conditions