En utilisant une combinaison de techniques informatiques et expérimentales, une équipe de recherche de l'Université du Massachusetts Amherst dirigée par la biologiste moléculaire Lila Gierasch a démystifié la voie de la communication interdomaine dans une famille de protéines connues sous le nom de Hsp70s - une cible privilégiée de dizaines de laboratoires de recherche essayant de développer de nouveaux médicaments anticancéreux, antibiotiques et traitements pour les maladies d'Alzheimer et de Parkinson.

Gierasch dit, "Celui-ci nous a présenté un sacré défi scientifique, parce que toutes les techniques que nous utilisons habituellement pour examiner la communication entre les différents domaines des protéines se bloquent lorsque les cibles sont flexibles et non rigides, et l'éditeur de liens interdomaine dans Hsp70s est très flexible. Nous devions être intelligents dans notre approche. » Les détails sont dans le Journal de chimie biologique .

Comme elle l'explique, les protéines de choc thermique de la famille Hsp70 - poids moléculaire 70 - sont "une classe très importante de chaperons moléculaires qui ont de nombreux emplois importants dans la cellule, y compris la liaison aux protéines clientes pour faciliter leur repliement, ou pour les empêcher de s'agréger pathologiquement, ou pour les garder dépliés afin qu'ils puissent passer comme un fil à travers une membrane."

Elle décrit les trois parties d'une protéine Hsp70 repliée comme un domaine de liaison aux nucléotides et un domaine de liaison au substrat liés par un lieur interdomaine "mystérieux", qui devient une partie de la structure lorsqu'une petite molécule, l'adénosine triphosphate (ATP), se lie au Hsp70. Lorsque l'ATP libère de l'énergie pour l'utilisation de la cellule, il se transforme en adénosine diphosphate (ADP). "Vous pouvez penser à cette machine moléculaire comme à un appareil de Rube Goldberg, " note-t-elle. " Nous savons depuis des années que le petit linker qui relie les deux domaines est important, et lorsque l'ATP est présent, il fait partie de la structure effondrée à deux domaines. Mais avec ADP présent, les domaines se déplacent indépendamment. Le rôle de l'éditeur de liens dans ce cas était inconnu, et a posé une énigme très difficile à résoudre."

Face à des méthodes expérimentales directes limitées pour observer les mouvements du linker, Gierasch et le chercheur postdoctoral Charles English, collaborer avec le membre adjoint du corps professoral Woody Sherman, également CSO de Silicon Therapeutics, Boston, a mené une étude informatique pour comprendre l'éventail des positions possibles de l'éditeur de liens. Ils ont utilisé une technique appelée dynamique moléculaire, qui utilise les équations du mouvement de Newton pour simuler le mouvement des atomes et des molécules. Cela a été facilité par la puissance de calcul massive des unités de traitement graphique et le centre de calcul multi-universitaire Massachusetts Green High Performance Computing Center à Holyoke.

Gierasch dit Wenli Meng, une maîtrise des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN), obtenu des données RMN qui ont validé les simulations. Le linker ne fait que 12 acides aminés, et Meng a été en mesure d'extraire directement les informations de liaison parmi 636 acides aminés. « Cela a été une contribution importante à notre travail, " note-t-elle. " Cela nous a donné une empreinte expérimentale à comparer avec ce que la simulation informatique a dit, et nous avons été ravis par l'accord serré. La combinaison des données RMN avec nos simulations a rendu nos résultats beaucoup plus solides. L'intégration de plusieurs disciplines fait considérablement progresser la recherche en sciences de la vie comme celle-ci. »

Elle rapporte, "Il s'avère que lorsque vous regardez attentivement cet éditeur de liens, c'est comme un joint universel dans une voiture." Pour Gierasch, qui a reconstruit une MG à partir de pièces en tant qu'étudiant diplômé, cette analogie n'est pas aussi improbable qu'on pourrait le penser. "Dans le mécanisme d'arbre de transmission, il y a des pièces rigides reliées par des joints, et c'est ce que cet éditeur de liens a, trois pièces rigides reliées par des charnières flexibles. Le résultat est que les deux domaines attachés par le lieur ont une rotation restreinte l'un par rapport à l'autre. Donc, ce linker protéique n'est pas comme une nouille ou un morceau de fil. Il est rigide à certains endroits mais flexible à d'autres, et, pour faciliter le bon fonctionnement du chaperon, il peut se tordre de manière à faciliter le mécanisme du chaperon, mais ça ne peut pas aller partout."

Un "bonus imprévu" ajoute-t-elle, découvre que le lieur fait des pauses fréquentes au niveau d'une poche sur le domaine de liaison au substrat, "Cela vous donne un site de liaison potentiel à cibler avec un médicament. Nous ne connaissions pas cette petite poche auparavant, mais maintenant nous pouvons imaginer un moyen d'arrêter le cycle de pliage assisté par chaperon en concevant une petite molécule qui se liera à ce site. »

Gierasch reconnaît que cette avancée est, par lui-même, juste une étape dans un long processus, en fait, elle travaille depuis des décennies. "Mais c'est ainsi que fonctionne la science, Un pas après l'autre. Avec chaque pièce du puzzle que vous mettez, cela clarifie la situation dans son ensemble. » Elle et ses co-auteurs écrivent qu'une meilleure compréhension du rôle du lieur interdomaine qu'ils ont maintenant caractérisé « comble une lacune supplémentaire dans la compréhension de la façon dont ces machines moléculaires remplissent leurs myriades de fonctions physiologiques. » Ce travail devrait être utile pour la recherche. sur les cibles Hsp70 pour le cancer, les maladies d'Alzheimer et de Parkinson et le développement de nouveaux antibiotiques, ajoutent-ils.

"En outre, les linkers apparemment flexibles sont répandus dans les molécules de signalisation en biologie, et notre travail illustre l'importance d'étudier en profondeur les rôles de ces unités ostensiblement flexibles. La délimitation de leurs paysages conformationnels nous éclairera sur la façon dont ils peuvent relayer l'information d'une région d'une molécule à une autre."

Gierasch ajoute, "On dit que les cellules cancéreuses sont absolument accros aux Hsp70 car elles fabriquent de nombreuses protéines en grande quantité, et ces chaperons accueillent chaque protéine nouvellement synthétisée et facilitent leur adoption d'une structure appropriée, c'est pourquoi les gens s'y intéressent tant. Si vous les inhibez, vous ralentirez la croissance des cancers. Le problème est que vous rendriez également d'autres cellules malades. de nouveaux antibiotiques pourraient être développés à partir de l'inhibition de Hsp70 bactériennes spécifiques, et parce que les Hsp70 aident à protéger les cellules contre l'agrégation des protéines, les inhiber ou les manipuler pourrait conduire à de nouveaux traitements pour les maladies rares résultant de l'agglutination des protéines.