Le nombre de protéines dans le corps humain, collectivement connu sous le nom de protéome, est vaste. Quelque part entre 80, 000 et 400, 000 protéines circulent dans nos cellules, tissus et organes, l'accomplissement d'un large éventail de tâches essentielles à la vie. Quand les protéines tournent mal, ils sont responsables d'une myriade de maladies graves.

Maintenant, chercheurs du Biodesign Center for Applied Structural Discovery et de l'École des sciences moléculaires de l'ASU, avec leurs collègues, étudier une classe de protéines d'une importance critique, qui ornent les membranes externes des cellules. Ces protéines membranaires agissent souvent comme des récepteurs pour les molécules de liaison, initier des signaux qui peuvent modifier le comportement cellulaire de diverses manières.

Une nouvelle approche pour acquérir des données structurelles de protéines membranaires avec des détails surprenants est décrite dans la nouvelle étude. Méthodes de microscopie électronique cryogénique (ou cryo-EM), une suite d'outils révolutionnaires, est utilisé. Plus loin, L'utilisation de ce qu'on appelle la cristallisation LCP et la diffraction électronique des microcristaux (MicroED) aident à dévoiler les détails structurels des protéines qui ont été largement inaccessibles par des approches conventionnelles comme la cristallographie aux rayons X.

Les résultats décrivent la première utilisation de microcristaux intégrés au LCP pour révéler des détails structurels de protéines à haute résolution à l'aide de MicroED. La nouvelle recherche fait la couverture du numéro actuel de la revue Cell Press Structure .

"Le LCP a été un grand succès dans la cristallisation des protéines membranaires, selon Wei Liu, un auteur correspondant de la nouvelle étude. "La nouvelle application étendue de LCP-MicroED offre la promesse d'approches améliorées pour la détermination structurelle à partir de cibles protéiques difficiles. Ces plans structurels peuvent être utilisés pour faciliter la conception de nouveaux médicaments thérapeutiques à partir d'informations plus précises."

Une classe de protéines membranaires particulièrement intéressante sont les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), qui forment le groupe le plus vaste et le plus varié de récepteurs membranaires trouvés chez les organismes eucaryotes, y compris les humains.

Les activités physiologiques des GPCR sont si importantes qu'elles constituent une cible majeure pour une large gamme de médicaments thérapeutiques. C'est là que les problèmes se posent cependant, car déterminer la structure détaillée des protéines membranaires - un précurseur essentiel à la conception précise de médicaments - pose souvent d'énormes défis.

La technique de cristallographie aux rayons X a été utilisée pour étudier les structures à l'échelle atomique et même le comportement dynamique de nombreuses protéines. Ici, des échantillons cristallisés de la protéine étudiée sont frappés avec un faisceau de rayons X, provoquant des motifs de diffraction, qui apparaissent sur un écran. L'assemblage de milliers d'instantanés de diffraction permet d'assembler une image structurelle 3D haute résolution à l'aide d'ordinateurs.

Pourtant, de nombreuses protéines membranaires, y compris les GPCR, ne forme pas grand, cristaux bien ordonnés appropriés pour la cristallographie aux rayons X. Plus loin, ces protéines sont délicates et facilement endommagées par les rayons X. Le contournement du problème a nécessité l'utilisation de dispositifs spéciaux appelés lasers à électrons libres à rayons X ou XFELS, qui peut fournir une rafale brillante de rayons X d'une durée de quelques femtosecondes, (une femtoseconde est égale à un quadrillionième de seconde ou à peu près le temps qu'il faut à un rayon lumineux pour traverser le diamètre d'un virus). La technique de cristallographie par rayons X femtoseconde en série permet aux chercheurs d'obtenir une image de réfraction avant que l'échantillon cristallisé ne soit détruit.

Néanmoins, la cristallisation de nombreuses protéines membranaires reste un art extrêmement difficile et imprécis et seule une poignée de ces gigantesques machines XFEL existent dans le monde.

Entrez dans la microscopie électronique cryogénique et la MicroED. Cette technique révolutionnaire consiste à congeler rapidement des cristaux de protéines dans un mince placage de glace, puis les soumettre à un faisceau d'électrons. Comme dans le cas de la cristallographie aux rayons X, la méthode utilise des motifs de diffraction, cette fois des électrons plutôt que des rayons X, pour assembler les structures détaillées finales.

MicroED excelle dans la collecte de données à partir de cristaux trop petits et irréguliers pour être utilisés pour la cristallographie aux rayons X conventionnelle. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé deux techniques avancées en tandem afin de produire des images de diffraction à haute résolution de deux protéines modèles importantes :la protéinase K et le récepteur de l'adénosine A2A, dont les fonctions incluent la modulation des neurotransmetteurs dans le cerveau, vasodilatation cardiaque et réponse immunitaire des lymphocytes T.

Les protéines étaient incorporées dans un type spécial de cristal connu sous le nom de phase cubique lipidique ou cristal LCP, qui imite l'environnement natif dans lequel ces protéines se produisent naturellement. Les échantillons LCP ont ensuite été soumis à une microscopie électronique, en utilisant la méthode MicroED, qui permet l'imagerie de très fines, cristaux de taille submicronique. Plus loin, la rotation continue des cristaux LCP sous le microscope électronique permet d'acquérir de multiples motifs de diffraction à partir d'un seul cristal avec un extrêmement faible, dose d'électrons sans dommage.

La capacité d'examiner des protéines qui ne peuvent former que des micro- ou nanocristaux ouvre la porte à la détermination structurelle de nombreuses protéines membranaires d'une importance vitale qui ont échappé aux moyens d'investigation conventionnels, en particulier les GPCR.