La S-glycosylation est une modification post-traductionnelle des protéines correspondant à la formation d’une liaison covalente entre un ose et un groupement thiol (-SH) d’un résidu cystéine.
Plus rare que les N-glycosylation ou O-glycosylation, la S-glycosylation pourrait jouer un rôle dans la structure et la stabilité de protéines, ainsi que dans la régulation de leurs fonctions. La S-glycosylation naturelle est réalisée par des processus enzymatiques, notamment dans certaines voies biosynthétiques bactérienne et végétale. Toutefois, elle peut également être reproduite artificiellement par des méthodes de synthèse non enzymatiques, en particulier dans le cadre de développement d’antibiotiques et d’antiviraux, ou encore pour le marquage de cystéine protéique dans un contexte protéomique.
L’étude de la S-glycosylation constitue un domaine de recherche émergent en glycobiologie, en raison de sa rareté relative et de ses propriétés méconnues, ainsi que ses implications potentielles en bio-ingénierie, pharmacologie, ou encore en médecine.
Historique et Contexte scientifique La glycosylation est l’une des principales modifications post-traductionnelles des protéines. Les premières études, menées dans les années 1950 et 1960, ont principalement porté sur la caractérisation des N-glycosylations et les O-glycosylations, formes majoritaires et largement caractérisées. La S-glycosylation, correspondant à la formation d’une liaison covalente entre un ose et un soufre d’une cystéine, est restée longtemps marginale.
La première observation d’une liaison S-glycosidique naturelle remonte à 1971, lorsque C. J. Lote et J. B. Weiss ont identifié une digalactosyl-cystéine dans un glycopeptide isolé d’urine humaine. Cette découverte démontre l’existence d’une liaison S-glycosidique distincte des liaisons O- et N-glycosidiques, sans qu’aucune fonction biologique ou mécanisme enzymatique ne soient établis.
Au cours des décennies suivantes, la S-glycosylation a fait l’objet d’un nombre limité d’études en raison de sa rareté apparente et des difficultés analytiques associées à la détection des liaisons S-glycosidiques. Ce n’est qu’en 1998 qu’une S-glycosylation a été identifiée sur la cystéine 26 de la chaîne lourde H1 du complexe inter-α-trypsine inhibiteur humain ITI-H1.
Un regain d’intérêt est apparu à partir des années 2010 grâce aux progrès de la spectrométrie de masse, de la RMN et de la biologie structurale. En 2016, J. C. Maynard et al. ont décrit une S-GlcNAcylation sur des protéines de mammifères, identifiée lors d’études consacrées à l’O-GlcNAcylation, suggérant que cette modification pourrait être sous-estimée. Parallèlement, des travaux sur des peptides bactériens, notamment les glycocines, ont mis en évidence des S-glycosylations enzymatique impliquées dans l’activité antimicrobienne et dans la biosynthèse de certains antibiotiques.
Aujourd’hui, la S-glycosylation est reconnue comme une modification post-traductionnelle distincte, dont la fréquence et les fonctions biologiques restent partiellement élucidées.
Mécanisme de formation et propriétés de la liaison S-glycosidique
Mécanismes de la S-glycosylation Les travaux de S. Oscarson ont permis de mieux comprendre la chimie des oses, dont le mécanisme de la S-glycosylation.
Deux voies principales peuvent être distinguées :
La première voie correspond à une substitution nucléophile où un glycosyle donneur réagit avec un groupement thiol accepteur : selon les conditions réactionnelles, elle peut suivre un mécanisme de type SN1, impliquant la formation d’un intermédiaire oxocarbenium plan suivi d’une attaque nucléophile, ou un mécanisme de type SN2, caractérisé par une attaque nucléophile concertée conduisant à une inversion de configuration. La seconde voie consiste en une stratégie en plusieurs étapes passant par un intermédiaire soufré
L’analyse de ces différentes approches met en évidence les enjeux liés au contrôle de la configuration anomérique.
Les dérivés thioglycosidiques obtenus en fin de synthèse, bien que rares dans la nature, ont suscité un intérêt pour les utiliser en tant que donneurs de glycosyles efficaces et analogues aux O-glycosides, pour diverses applications biologiques comme inhibiteurs de glycosidases.
Propriétés de la liaison S-C et du soufre en comparaison avec la O-glycosylation La S-glycosylation correspond à la formation d’une liaison covalente entre le carbone anomérique d’un ose et l’atome de soufre du groupement thiol d’un résidu cystéine.
Comme l'oxygène et le soufre possèdent des configurations électroniques proches, certaines de leurs propriétés chimiques sont donc similaires, conduisant vers l’hypothèse que la liaison glycosidique O-C pourrait être remplacée par la liaison S-C. Cela conférerait potentiellement une meilleure stabilité enzymatique, sans altérer les rôles structuraux et fonctionnels des glycanes, dans le but d'améliorer la résistance des glycanes à l'hydrolyse et à la dégradation enzymatique.
Cependant, des études ont démontré qu’il n’est pas possible de remplacer la O-glycosylation par une S-glycosylation. Le soufre possède un rayon atomique plus élevé et une plus grande polarisabilité, se traduisant par une liaison S-C plus longue et plus flexible que la liaison O-C. Ces différences modifient les paramètres conformationnels du système glycosidique, et la possibilité de former des liaisons hydrogènes avec les groupements voisins.
Ainsi, ces différences structurales indiquent que les S-glycosides ne peuvent pas imiter convenablement les propriétés structurales des O-glycosides naturels. Par ailleurs, la N-glycosylation relève d’un cadre structural distinct et ne suscite pas d’intérêt de comparaison.
S-glycosylation naturelle La S-glycosylation naturelle est effectuée par des S-glycosyltransférases (GT), qui catalysent la liaison S-glycosidique telles que SunS et ThuS, dont l'étude montre l'existence d’un domaine catalytique de type GT-A et une organisation favorisant la reconnaissance chimiosélective d’un résidu cystéine.
Fonction biologique dans l’activité antimicrobienne La S-glycosylation a été identifiée dans plusieurs bactériocines appartenant à la famille des peptides antimicrobiens, peptides capables de freiner la croissance d’autres bactéries. Ces peptides subissent des modifications post-traductionnelles spécifiques au cours de leur biosynthèse.
Chez Lactobacillus plantarum, la glycocine F contient une N-acétylhexosamine (HexNAc) liée par liaison S-glycosidique à une cystéine C-terminale, ainsi qu’une O-GlcNAc sur une sérine. Des analyses fonctionnelles ont montré que la forme non glycosylée présente une diminution de l’activité inhibitrice, suggérant l’existence d’un lien entre la S-glycosylation et l’activité antimicrobienne observée.
L’enzyme ThuS, identifiée chez Bacillus thuringiensis, catalyse à la fois la S-glycosylation et l’O-glycosylation du peptide précurseur ThuA et produit la thurandacine. L’enzyme SunS, étudiée dans d’autres travaux chez Bacillus subtilis, catalyse spécifiquement la S-glycosylation du peptide sublancine.
L’étude de ces peptides antimicrobiens pourrait potentiellement servir dans l'élaboration de nouveaux antibiotiques.
Fonction biologique dans la détoxification des pesticides La S-glycosylation a également été mise en évidence chez les plants de tomate.
Dans un contexte d’utilisation du nématicide fluensulfone, pour la culture de tomate, il a été observé que la S-glycosylation permet la transformation de ce nématicide en métabolites conjugués S-glycosylés.
Ce processus augmente la solubilité des métabolites dans le cytoplasme, facilitant leur transport dans les vacuoles puis leur stockage dans les racines. De plus, cette glycosylation augmente également la stabilité des métabolites en masquant leur site actif par un ose réduisant ainsi leur toxicité.
Cette glycosylation constitue une voie majeure de détoxification du fluensulfone chez les plants de tomate et permet de diminuer la quantité des substances toxiques dans les parties supérieures de la plante (feuilles et fruits comestibles), limitant ainsi les risques alimentaires. La S-glycosylation présente donc une potentielle application dans le domaine de l’agroalimentaire.
S-glycosylation artificielle et applications possibles Peu d’exemples biologiques de S-glycosylation ayant été clairement caractérisés, des chercheurs se sont tournés vers des modèles artificiels. Ils ont donc tenté de la reproduire artificiellement pour des applications en bio-ingénierie, en médecine et en pharmacologie.
Approches artificielles La modification chimique directe des cystéines avec des sucres dans des biomolécules complexes est difficile à réaliser par des approches enzymatiques. Une méthode de S-glycosylation non enzymatique a été développée par Wan et al. (2021) permettant la formation directe et stéréosélective de liaisons S-glycosidiques sur des sucres non protégés, dans des conditions biologiques. La réaction repose sur l’utilisation de radicaux glycosyles issus d’allylglycosylsulfones, qui réagissent avec des intermédiaires disulfures dérivés des cystéines. L'utilisation de l'isothiazolone, comme agent de thiolation des cystéines, simplifie la procédure en évitant l’isolement des disulfures, permettant la formation directe d’une liaison S-glycosidique. Cette réaction, redox-neutre, permet ainsi de préserver l’intégrité des biomolécules tout en présentant une forte stéréosélectivité.
D’autre part, une S-glycosylation artificielle peut survenir lors du metabolic glycan labeling (MGL), technique de marquage de glycanes dans les systèmes biologiques. Des monosaccharides non naturels per-O-acétylés, peuvent réagir spontanément avec les résidus cystéine des protéines et induire une S-glycosylation non enzymatique. Cette modification résulte de la présence des groupes O-acétyle et se produit dans des lysats cellulaires ou encore sur des protéines purifiées, attestant le caractère chimique et non enzymatique.
La S-glycosylation induite peut être exploitée comme outil de marquage et de protection des thiols protéiques. Dans une étude consacrée au mécanisme de régulation de la réponse inflammatoire par l’itaconate, cette stratégie a permis de cartographier indirectement les protéines comportant des cystéines susceptibles d’être modifié par l’itaconate en utilisant des sondes marquées, constituées de monosaccharides per-O-acétylés. Au total, 260 cystéines ont été identifiées comme cibles de l’itaconate, notamment dans des enzymes clés de la glycolyse telles qu’ALDOA et LDHA, impliquées dans la réponse inflammatoire. La S-glycosylation apparaît ainsi comme une approche prometteuse en biochimie analytique pour identifier des protéines via une modification glycosidique spécifique des cystéines.
Applications
Développement d’antibiotiques La S-glycosylation intervient également dans la biosynthèse de certains antibiotiques naturels.
Dans le cas de la lincomycine A, un antibiotique de la famille des lincosamides actif contre des bactéries Gram-positives, l’enzyme LmbT catalyse une réaction de S-glycosylation au cours de la voie biosynthétique. Cette enzyme transfère un intermédiaire lincosamide activé (GDP-D-α-D-lincosamide) sur l’atome de soufre de la L-ergothionéine, une molécule dérivée de l’histidine contenant un groupement thiol.
La réaction se déroule selon un mécanisme de substitution nucléophile du type SN2, conduisant à un lincosamide conjugué à l’ergothionéine. Cette étape est importante pour la biosynthèse des lincosamides, car elle contribue à contrôler la stéréochimie du carbone grâce à l’inversion du carbone anomérique dans les antibiotiques finaux. Cette spécificité de l’enzyme LmbT pourrait permettre de produire des dérivés de sucres liés à la L-ergothionéine de type “prodrug-like”, susceptibles d’être explorés pour la découverte de nouveaux médicaments.
Développement d’antiviraux