Le réacteur isotopique à flux élevé du Laboratoire national d'Oak Ridge est la source de neutrons basée sur un réacteur à flux le plus élevé pour la recherche aux États-Unis. Crédit :Geneviève Martin/ORNL
Niché à l'intérieur des membranes cellulaires, un boucher moléculaire fait l'appel d'offres de cellules saines mais aussi d'agents pathogènes. Il a fonctionné hors de vue, mais les chercheurs viennent de braquer les projecteurs dessus.
Le boucher est une enzyme courante appelée préséniline, qui coupe de longs blocs de construction de protéines en longueurs plus courtes utilisables. Il réside dans des espaces membranaires qui échappent à la détection expérimentale facile, mais dans une nouvelle étude, des chercheurs du Georgia Institute of Technology et du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont illuminé la préséniline à l'aide d'un faisceau de neutrons produit par le réacteur nucléaire de recherche le plus puissant au monde.
« Un tiers de notre génome sert à coder des protéines intramembranaires, " a déclaré Raquel Lieberman, professeur agrégé à l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech. "Certains d'entre eux sont énormes et font de la biochimie super complexe."
L'enzyme préséniline en particulier est une protéase intramembranaire. Il en existe quatre classes, et ils sont nécessaires, entre autres, pour :Alerter et se défendre contre les infectieux, et la différenciation et le développement cellulaires.
Si les deux derniers tournent mal, qui peut conduire au cancer.
Mugshot à neutrons granuleux
Maintenant, les chercheurs ont obtenu un mugshot figuratif d'une protéine intramembranaire, la préséniline. Techniquement parlant, les chercheurs ont travaillé avec un cousin de la préséniline trouvé dans les microbes, M. marisnigri intramembrane aspartyl protéase ou MmIAP - mais ici, nous utiliserons la préséniline et MmIAP de manière interchangeable pour des raisons de simplicité.
La mesure était à basse résolution mais a révélé suffisamment pour établir que la structure de la protéine est plus simple qu'on ne le croyait auparavant, et cela a surpris les scientifiques.
"Notre échantillon montre qu'il s'agit d'un monomère à lui tout seul, " a déclaré Lieberman. " Nous nous attendions à un dimère ou à un trimère. " Cela signifie qu'il était composé d'un long brin, surtout enroulé comme un ressort, au lieu de mèches bouclées doublées ou triplées.
Presenilin (MmIAP) est armé de deux couteaux chimiques, aspartates, qui effectuent des coupes fiables sur les peptides, les sous-unités qui composent les protéines. Et une deuxième nouvelle étude réalisée par les mêmes chercheurs a mis en lumière le fonctionnement du clivage.
Un collecteur de fractions du laboratoire Georgia Tech de Raquel Lieberman distribue des composants d'échantillons de protéines liquides, recueillir un volume défini avant de passer au tube suivant. Crédit :Georgia Tech / Rob Felt
Le boucher peptidique de n'importe qui
La préséniline peut découper les peptides en blocs de construction utiles à ses propres cellules, ou de petits morceaux de mauvais peptides qui se retrouvent dans la plaque bêta-amyloïde, un suspect de la maladie d'Alzheimer. Ou la préséniline peut aider et réduire les virus de l'hépatite C en sculptant les composants dont il a besoin pour se reproduire.
Comprendre le fonctionnement de la préséniline pourrait un jour s'avérer utile pour la recherche médicale. "Si vous pouviez trouver un moyen de l'interférer de manière sélective, vous pourriez arrêter la propagation de l'hépatite C dans le corps, " a déclaré Liebermann.
Les chercheurs, dirigé par Lieberman et le scientifique en diffusion de neutrons Volker Urban de l'ORNL, a publié les révélations de la diffusion de neutrons le 2 février 2018, dans Journal biophysique . Les nouvelles informations sur le fonctionnement de la préséniline seront publiées officiellement en mars dans le Journal de chimie biologique , mais est actuellement disponible en ligne sans embargo. Les premiers auteurs étaient Swe-Htet Naing de Georgia Tech et Ryan Oliver d'Oak Ridge.
La recherche a été financée par la National Science Foundation, les instituts nationaux de la santé, et le ministère de l'Énergie des États-Unis.
Cacheurs hydrophobes de troupeau
Les scientifiques ont atteint le gros canon lorsqu'ils se sont rendus au réacteur à isotope à haut flux (HFIR) pour faire sortir la préséniline (MmIAP) de sa cachette.
Les faisceaux de neutrons du HFIR ont été refroidis à moins 253 degrés Celsius (moins 424 degrés Fahrenheit) pour ralentir les neutrons, afin qu'ils puissent sonder les caractéristiques moléculaires des échantillons biologiques.
La préséniline et d'autres protéines intramembranaires justifient de telles mesures désespérées proverbiales. Ils vivent dans un environnement lipidique et détestent l'eau comme le font les chats, et c'est un problème pour les chercheurs qui les étudient.
"Quand vous avez des protéines qui ne sont pas solubles dans l'eau, tu as des problèmes, " a déclaré Lieberman. " Les techniques habituelles pour les analyser deviennent très, très difficile, sinon impossible. Et lorsque vous amorcez chimiquement ces protéines pour pouvoir utiliser ces méthodes hydrosolubles, vous avez très peu de chances de voir la structure réelle de la protéine qui remplit sa fonction."
La professeure agrégée Raquel Lieberman dans sa chambre froide à Georgia Tech. Crédit :Georgia Tech / Rob Felt
La forme suit la fonction
Les images dérivées de méthodes analytiques à base d'eau dans le laboratoire de Lieberman n'ont pas complètement concordé avec la fonction de la préséniline. Pour un, les surfaces de coupe de l'enzyme ont été trop éloignées. Les révélations du faisceau de neutrons avaient plus de sens pour les chercheurs.
"Notre forme était plus serrée, et avait plus de sens avec la fonction de la préséniline dans son environnement naturel dans la membrane, " a déclaré Liebermann.
Les échantillons de préséniline (MmIAP) examinés au HFIR ont été mis en suspension dans une solution favorable à la protéine hydrophobe. Ironiquement, la préséniline et d'autres protéases intramembranaires hydrolysent souvent les peptides, en d'autres termes, ils leur ajoutent de l'eau.
"Ces protéases sont confinées à la membrane cellulaire lipidique où il n'y a pas d'eau. Puisque l'eau est nécessaire pour l'hydrolyse, il doit venir de l'extérieur de la membrane, " Lieberman a déclaré. "Comment cela se produit est encore un autre mystère qui doit être découvert."
Robuste, hachoirs fiables
La précision et la régularité, avec lequel l'homologue de la préséniline MmIAP a clivé des peptides, impressionné les chercheurs.
« Quand nous avons utilisé un peptide synthétique modèle, il ne s'est clivé qu'à des positions très spécifiques sur le peptide, " Lieberman a déclaré. "Quand nous sommes passés à un vrai peptide biologique, il s'est également clivé très exactement."
Les chercheurs ont soumis la préséniline à diverses mutations, qui a eu peu ou pas d'effet sur ses capacités de clivage. Cela pourrait signifier que son fonctionnement de base est presque immunisé contre les interférences génétiques.
Sur une note glaçante, lors de la coupe de peptides précurseurs bêta-amyloïdes, les chercheurs ont observé le cousin microbien de la préséniline, MmIAP, faisant toujours la côtelette d'une manière notoire pour l'association de l'amyloïde avec la maladie d'Alzheimer.
« Nous n'avons jamais vu la coupure qui a fait ce qui est généralement considéré comme la « bonne » amyloïde, A-bêta-40, " a déclaré Lieberman. " Nous n'avons vu que des coupures qui ont conduit à la " mauvaise " amyloïde, A-bêta-42."
Des recherches supplémentaires seraient nécessaires pour expliquer pourquoi cela s'est produit; s'il en est de même pour la préséniline dans les membranes cellulaires humaines, et aussi si un régulateur empêche la création ou l'accumulation de tant de mauvaise amyloïde dans les cellules saines.
