Les amyloïdes sont des amas de fragments de protéines qui se collent pour former des fibrilles filandreuses telles que les plaques observées dans le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Beaucoup de ces protéines se lient à des métaux tels que le zinc, mais la structure de ces protéines liées aux métaux a été difficile à étudier. L'importance de ces métaux dans l'activité des amyloïdes reste donc une question ouverte, ce qui est d'autant plus déroutant que certaines amyloïdes sont associées à la maladie mais d'autres ne le sont pas.

Une équipe de chimistes du MIT, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Californie à San Francisco (UCSF) et de l'Université de Syracuse, a maintenant déchiffré la structure d'une amyloïde qui se lie au zinc. Leur approche, basé sur la résonance magnétique nucléaire (RMN), pourrait également être utilisé pour révéler les structures d'amyloïdes liés au métal supplémentaires.

"Même s'il y a eu beaucoup de haute résolution, travaux structurels au niveau atomique sur les amyloïdes par RMN du solide, les gens n'ont vraiment pas étudié les aspects de liaison au métal, " dit Mei Hong, un professeur de chimie du MIT et l'un des auteurs principaux de l'article, qui apparaît dans le Actes de l'Académie nationale des sciences la semaine du 29 mai.

Des chercheurs de l'UCSF et de Syracuse ont conçu la protéine amyloïde pour catalyser une réaction spécifique :combiner le dioxyde de carbone et l'eau pour former du bicarbonate. La structure nouvellement découverte de l'amyloïde met en lumière la façon dont la protéine remplit cette fonction et comment le zinc aide à la catalyse de la réaction.

William DeGrado, professeur de chimie pharmaceutique à l'UCSF, est l'autre auteur principal de l'article. Myungwoon Lee, étudiant diplômé en MT, est l'auteur principal de l'article.

Détermination de la structure

Alors que les amyloïdes sont souvent associés à des maladies telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson, d'autres amyloïdes ont des fonctions biologiques normales.

Les chercheurs de l'UCSF et de Syracuse ont signalé pour la première fois leur amyloïde artificielle en 2014. Leur objectif était de produire une protéine très simple liée à un métal qui pourrait catalyser une réaction chimique nécessaire à la vie, dans l'espoir de démontrer que ces simples peptides liés à un métal auraient pu être des précurseurs des enzymes modernes. Dans ce papier, ils ont montré que le peptide, qui se compose de sept acides aminés liés à un ion zinc, pourrait catalyser la conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en bicarbonate aussi efficacement que l'enzyme anhydrase carbonique, qui effectue cette réaction dans les cellules vivantes et nécessite également du zinc.

"Il est plausible que de très petits peptides qui portent des ions métalliques fassent de la chimie, et l'évolution des activités enzymatiques peut avoir commencé à partir de ces petits peptides, " dit Hong.

Les chercheurs de l'UCSF ont conçu leur peptide de sorte que son site actif, où a lieu la réaction chimique, imiterait celui de l'anhydrase carbonique, qui a un ion zinc attaché à trois chaînes de l'acide aminé histidine. Cependant, ils ne connaissaient pas la structure précise des fibrilles formées par leur peptide, c'est là que Hong et ses collègues du MIT sont intervenus.

Pour déterminer la structure, l'équipe de recherche a utilisé une approche à deux volets basée sur la spectroscopie RMN et la bioinformatique, qui est une méthode d'utilisation d'algorithmes informatiques pour analyser des données biologiques.

En utilisant la RMN, les chercheurs ont d'abord déterminé que les peptides forment une longue chaîne de fibrilles constituée de couches de structures appelées feuillets bêta. Dans chaque feuille bêta, chaque brin peptidique a deux histidines qui peuvent interagir avec le brin suivant. Leur objectif suivant était de déterminer comment les ions zinc s'intègrent dans cette structure multibrin et multicouche.

La RMN utilise les propriétés magnétiques des noyaux atomiques pour révéler les structures des molécules contenant ces noyaux. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé la RMN pour analyser les signaux des principaux atomes d'azote dans les chaînes latérales de l'histidine qui interagissent avec les ions zinc. En comparant ces signaux lorsque les amyloïdes étaient et n'étaient pas liés au zinc, les chercheurs ont déterminé que la moitié des histidines coordonnent chacune un atome de zinc, tandis que l'autre moitié interagit avec deux atomes de zinc chacun. "La forte concentration d'histidines reliant deux ions zinc est très inhabituelle, " dit Hong.

Les chercheurs ont également utilisé la RMN pour mesurer les angles des liaisons qui permettent à l'histidine d'interagir avec le zinc, puis utilisé la bioinformatique pour déterminer les structures possibles compatibles avec ces configurations. Cela a révélé qu'un atome de zinc se trouve entre deux brins bêta-amyloïde, et il est lié à une chaîne latérale d'histidine d'en haut et deux d'en bas. Cela forme une structure tétraédrique dans laquelle trois azotes histidine maintiennent le zinc en place tandis qu'un azote histidine reste non attaché.

Catalyse précoce

L'azote histidine libre est libre de se lier à une molécule d'eau, ce qui est nécessaire pour effectuer la réaction catalysée par l'ion zinc. Les collaborateurs de Hong à l'UCSF ont déjà montré que cette amyloïde catalyse la formation de bicarbonate à un taux similaire à celui de l'anhydrase carbonique, soutenant la théorie selon laquelle ce type d'amyloïde simple aurait pu être utilisé par les premières formes de vie pour effectuer des réactions importantes.

Hong envisage maintenant de commencer à étudier la structure des amyloïdes liés aux métaux impliqués dans les maladies neurodégénératives. Il a été démontré que les amyloïdes impliqués dans les maladies de Parkinson et d'Alzheimer se lient aux ions métalliques, dont le zinc et le cuivre, mais comment ces métaux influencent les maladies n'est pas connu, ni leurs structures n'ont été déterminées.

"Il y a eu des simulations de dynamique moléculaire pour deviner comment les métaux se lient à ces histidines, mais il n'y a pas eu de haute résolution, étude au niveau atomique de la structure de coordination, " dit Hong.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.