Simon Labbé, Ph.D.

Professeur titulaire

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Formation

Études doctorales : Université Laval
Études postdoctorales : The University of Michigan (Ann Arbor)

Thèmes de recherches (English version follows)

Les projets du laboratoire ont pour objectifs communs d'élucider à l'échelle moléculaire des composantes intégrantes des sentiers homéostatiques d'oligo-éléments essentiels (e.g. Cu, Fe, Zn) par l'utilisation d'approches biochimiques, génétiques, moléculaires et cellulaires. Ces travaux visent à apporter une meilleure compréhension quant à la nature des mécanismes défectueux associés à une mauvaise assimilation des micronutriments.

Projets de recherche en cours

Bases moléculaires du contrôle de l'homeostasie des ions de cuivre (Cu).

Le cuivre (Cu), de par sa propriété à transférer des électrons est un cofacteur qui sert de noyau catalytique pour des enzymes indispensables.  Aussi, le pouvoir oxydo-réducteur des ions de Cu rend ces ions toxiques pour la cellule s'ils sont présents en excès.  Les cellules doivent donc s'assurer d'un maintien constant du juste équilibre en Cu.  En utilisant l'organisme modèle Schizosaccharomyces pombe, nous avons pu identifier chez cet organisme des protéines de transport des ions de Cu qui sont hautement similaires à celles retrouvées chez l'homme, qui elles, sont encore que très peu caractérisées.

1.   Le contrôle du transport du cuivre (Cu) par le cuprorégulateur Cuf1. 

Nous avons découvert une protéine “senseur” des ions de Cu qui contrôle la teneur de ces derniers dans la cellule.  Le cuprorégulateur se nomme Cuf1.  En carence de Cu, Cuf1 active la transcription des gènes ctr4+ et ctr5+ (dont les protéines forment le complexe de transport à la surface cellulaire) et ctr6+ (dont la protéine forme un homotrimère à la membrane de la vacuole afin de permettre le passage du Cu de la vacuole vers le cytosol).  In vivo, nous avons démontré que la localisation cellulaire de Cuf1 est dépendante de la concentration en Cu.  Cuf1 possède un signal de localisation nucléaire (NLS) dans sa portion N-terminale composé de résidus basiques.  En carence de Cu, le NLS est exposé et Cuf1 est importé au noyau.  Lorsque la concentration de Cu dépasse les besoins nutritifs, Cuf1 lie le Cu via un domaine riche en cystéines situé en C-terminale de la protéine.  Sa métallation engendre une interaction intramoléculaire entre ses régions N et C-terminales.  Sous cette forme, le NLS de Cuf1 est masqué et Cuf1 nouvellement synthétisé est retenu au niveau du cytosol.  Enfin, nous avons également démontré qu’un arrivage de Cu cause l’inhibition du pool nucléaire de Cuf1, suivi de son exportation hors du noyau via l’exportine Crm1.

2.   Ctr6, un transporteur vacuolaire du Cu dont la régulation est coordonnée avec celle des gènes codant pour les transporteurs de surface, optimisant ainsi l’apport cellulaire en Cu.

Nous avons découvert un nouveau transporteur vacuolaire de Cu, nommé Ctr6.  La surexpression de Ctr6 donne un phénotype de toxicité qui se traduit par l’absence de croissance des cellules sur un milieu contenant du Cu exogène.  Fait intéressant, l’activité de Ctr6 induit la sortie de Cu (alors entreposé dans la vacuole) de la vacuole vers le cytosol.  Ceci s’accompagne d’une diminution marquée de l’absorption de Cu à la surface cellulaire (~70%).  À partir de ces données, nous proposons un modèle.  Le transport du Cu entreposé dans la vacuole vers le cytosol provoque un signal conférant la capacité au facteur Cuf1 de réprimer la transcription des gènes ctr4+ et ctr5+, inhibant ainsi l’assimilation de Cu à partir de la surface cellulaire et ce, afin d’optimiser l’activité de chacune des machineries de transport.

3.   La métallochaperonne Pccs active la SOD1 via ses trois premiers domaines, alors qu’en excès de Cu, Pccs protège les cellules contre la toxicité de ce dernier.  De plus, une autre métallochaperonne, Atx1, procure les ions de Cu à la l’amine oxydase Cao1.

Sans la chaperonne Pccs, il n’y a pas d’incorporation de Cu à l’enzyme SOD1.  Des expériences rapportant l’activité de la SOD1, nous ont permis de constater que les 75 derniers acides aminés de la protéine Pccs n’entrent pas en jeu dans l’apport en Cu à la SOD1.  Ces acides aminés protègent plutôt les cellules contre la toxicité causée par un apport excédentaire en Cu.  D’autre part, des récents résultats, nous ont permis de démontrer que la chaperonne Atx1 interagit avec Cao1, une protéine reliée à la pathologie du diabète.  En présence d’Atx1, le Cu est rendu disponible pour l’activation de l’amine oxydase Cao1

Régulation de l’homéostasie des ions de fer (Fe), un autre oligo-élément essentiel au métabolisme.

De par sa propriété à acquérir et à céder les électrons, le fer (Fe) constitue un élément incontournable dans divers sentiers métaboliques. Son potentiel rédox flexible est exploité par une variété de protéines qui lient l’oxygène ou qui transfèrent les électrons. Toutefois, un excès de Fe est fortement cytotoxique puisqu’il peut générer des radicaux libres qui endommagent les lipides, les protéines et l’ADN. C’est pour cela que la nature a mis en place divers mécanismes pour réguler de façon stricte l’acquisition du Fe dans les cellules.

4.   Fep1, un senseur de fer (Fe) régulant l’expression des gènes de transport du fer.

L’acquisition du Fe du milieu extracellulaire au cytoplasme s’effectue via la réduction de Fe3+ à la forme Fe2+.  Une fois réduit, le Fe2+ subit une ré-oxydation en Fe3+ par la multi-Cu oxydase Fio1, qui elle, l’envoie à la perméase Fip1, qui à son tour, le transporte à l’intérieur de la cellule.  Afin d’éviter une biotoxicité, les gènes codant pour les composantes d’acquisition du Fe sont réprimés s’il y a un excédent de Fe.  Des séquences promotrices de type GATA sont reconnues par le facteur de transcription Fep1, qui lui, réprime la transcription.  Nous avons déterminé que les protéines Tup11 et Tup12 agissent de concert avec Fep1 dans le but d’assurer la fonction de répression.  Par diverses approches, nous avons pu démontrer que Tup11 interagit directement avec Fep1.  L’ensemble des résultats décrivent le premier exemple d’interaction physique entre un corépresseur et un facteur de transcription contrôlant l’expression des gènes responsables de l’acquisition du Fe.  Récemment, nous avons également montré que le facteur de transcription Sfu1 de Candida albicans est une protéine orthologue à Fep1.

5.   Identification d’un nouveau mécanisme de régulation transcriptionnelle en réponse à la carence en Fe.

Afin d’assurer leur survie lors d’une carence en Fe, les cellules vont chercher à acquérir davantage de Fe via les transporteurs, tout en réduisant l’expression des gènes codant pour des protéines non essentielles qui utilisent ou entreposent celui-ci.  Récemment, nos travaux ont démontré qu’une sous-unité, composante du complexe liant les boîtes CCAAT, soit Php4, est responsable de la répression de la transcription des gènes codant pour des protéines qui utilisent le Fe lorsque cet ion se fait rare.  De plus, il s’avère que l’expression de l’ARNm de php4+ est elle-même régulée selon le statut en Fe.  En effet, la transcription de php4+ est réprimée par le facteur Fep1 lorsque le Fe est abondant.  À l’inverse, il a été démontré que Php4 peut réprimer à son tour l’expression de fep1+ lorsque le Fe est déficient.  Nos résultats obtenus à l’aide de micropuces à ADN ont permis d’identifier Php4 comme un joueur central de la réponse cellulaire à la carence en Fe.  Il s’agit d’un nouveau mécanisme de répression génique totalement différent de celui auparavant caractérisé chez d’autres organismes modèles.  Soulignons que le mécanisme que nous avons mis à jour a été ultérieurement identifié chez des levures du genre Aspergillus et Candida, dont certaines espèces sont pathogènes pour l’homme, d’où l’importance de comprendre son mode d’action.

Control of Cu Homeostasis.

1Cu-responsive transcriptional regulation by Cuf1.

We have identified a nutritional Cu-sensing transcription factor in S. pombe named Cuf1.  When Cu levels are low, Cuf1 activates the transport of Cu at the cell surface and mobilizes vacuolar Cu by up-regulating the expression of the Ctr4-Ctr5 two-component Cu transporting complex at the plasma membrane and the Ctr6 vacuolar efflux system, respectively.  When cells are grown in the presence of excess Cu, Cuf1 is retained in the cytoplasm.  We also showed that, in cells undergoing a shift from low to sufficient Cu concentrations, Cuf1 translocates from the nucleus to the cytoplasm via the exportin Crm1.

 2.  Ctr6 reveals, for the first time, an example of one mechanism in which the vacuole and plasma membrane communicate to ensure that sufficient Cu is acquired for effective functioning of Cu-dependent enzymes.

We have isolated a gene, ctr6+, which encodes a novel vacuolar membrane Cu transporter.  On overexpressing of Ctr6, cells were sensitive to Cu, but 64Cu uptake was reduced by ~70%.  Consistent with this reduction in Cu uptake, transcript levels of the plasma membrane Cu transporters Ctr4 and Ctr5 were also reduced.  On the basis of these results, we proposed a model.  As Ctr6 mobilizes vacuolar Cu, Cuf1 senses a larger pool of labile Cu, which in turn down-regulates the Cuf1-dependent transcription of Ctr4 and Ctr5, resulting in a reduction of Cu uptake.

3.  The Pccs Cu chaperone functions in dual pathways to deliver and sequester Cu, while Atx1 carries Cu to Cao1.

The Cu chaperone for SOD1, termed CCS, functions in the delivery of Cu to SOD1.  In the model system S. pombe, we found that Pccs harbors an extra domain at the C terminus.  We showed that the first three domains of Pccs are required to incorporate Cu into SOD1 under low Cu concentrations, while the fourth domain of Pccs functions to sequester metals under elevated Cu concentrations.  Recently, we found that Cao1 (a diabetes-related enzyme) is dependent on the Cu chaperone Atx1 for its activity.

Regulation of Fe homeostasis.

4.  Fep1, an Fe sensor regulating Fe transport gene expression.

Fe is transported across the plasma membrane via a permease/oxidase complex, called Fip1/Fio1.  We showed that the fip1+ andfio1+ genes are transcriptionally repressed under Fe replete conditions.  Based upon that, we sought to determine a consensus DNA sequence requirement for a putative S. pombe Fe-sensing protein, and subsequently, to identify this latter protein that regulates the Fe transporter gene expression.  We demonstrated that Fe-mediated repression offio1+ in S. pombe requires the promoter cis-acting element, 5'-(A/T)GATAA-3'.  Furthermore, we found that the S. pombe Fep1 protein can sense and translate Fe concentration changes to the Fe transport machinery.  We have identified two proteins, Tup11 and Tup12, which act as corepressors for Fe-repression of thefio1+ gene expression.  We demonstrated that Fep1 interacts directly with the Tup11 protein.  These results describe the first example of a physical interaction between a corepressor and a Fe-sensing factor controlling the expression of Fe assimilation genes.  Recently, we demonstrated that the Candida albicans Sfu1 is a functional homologue of Fep1.

5.  A novel mechanism for down-regulation of Fe metabolic genes during Fe deficiency.

We identified a new protein, Php4, which acts as a repressor to prevent futile expression of the genes encoding Fe-requiring proteins when Fe is limiting.  We determined that php4+ is regulated at the transcriptional level: it is induced under conditions of Fe deprivation and turned off under conditions of Fe repletion.  Furthermore, its Fe-dependent regulated expression requires a functional fep1+ gene.  Collectively, ours results reveal the existence of a transcription factor cascade composed of Fep1 and the Php complex to regulate gene expression in response to Fe deficiency.  These results describe a novel strategy for Fe economy in eukaryotic cells.