Les protéines membranaires humaines atteignent l'équilibre évolutif

Figure 1 :Le processus de pliage d'un transporteur de glucose à l'aide de pincettes magnétiques. Une force élevée est d'abord appliquée pour dérouler complètement la protéine. La force appliquée est alors abaissée ce qui permet d'observer le processus de pliage. Sur l'image, on peut voir une partie du transporteur de glucose se replier pour former une structure et entrer dans la bicelle (colorée en bleu). Ce processus de repliement ne se produit pas souvent sans aide externe, ce processus est donc accompli à l'aide de l'environnement membranaire environnant et de complexes protéiques tels que l'EMC. Crédit :Université nationale de Séoul

Les cellules sont compartimentées par des membranes et les protéines présentes dans ces membranes jouent un rôle important dans le transport de l'information cellulaire. Pour que ces protéines fonctionnent correctement, une structure protéique tertiaire doit être formée par le processus de repliement correct. Dans une étude publiée dans Nature Chemical Biology , le processus de repliement d'un transporteur de glucose - une protéine membranaire complexe - a été identifié pour la première fois à l'aide de pinces magnétiques à une seule molécule.

En utilisant le complexe protéique membranaire (EMC) du réticulum endoplasmique (ER) et une molécule lipidique avec une structure spécifique, la voie de repliement d'un transporteur de glucose a été entièrement élucidée dans un environnement physiologique. Grâce à la bioinformatique, il a également été découvert que la capacité de formation de structure de la protéine membranaire et sa capacité à transporter le glucose devaient avoir trouvé un équilibre tout au long de son histoire évolutive.

Bien que les structures de nombreuses protéines membranaires, y compris les transporteurs de glucose, aient déjà été révélées grâce aux avancées récentes de la biologie structurale telles que la cryo-microscopie électronique, la voie de repliement dans laquelle se forment les structures de ces protéines membranaires reste presque totalement inconnue. En 2019, l'équipe de recherche a rapporté dans Science que les voies de repliement des protéines membranaires peuvent être révélées à l'aide de pinces magnétiques, marquant la première fois au monde que la voie de repliement d'une protéine membranaire a été révélée.

Figure 2 :Schéma de principe des pincettes magnétiques et de la voie de repliement d'un transporteur de glucose. La gauche montre l'application d'une force sur le transporteur de glucose à l'aide d'une pince magnétique. Des bicelles composées de diverses molécules lipidiques ont été fournies pour fournir un environnement nécessaire au fonctionnement des protéines membranaires. De plus, des EMC ont été ajoutés pour aider à former la structure protéique tertiaire correcte. Lorsque la perle magnétique est tirée vers l'aimant permanent, une tension est appliquée à la chaîne d'ADN connectée à la protéine, et une force constante est appliquée à la protéine elle-même. Grâce à cette expérience, la voie de repliement du transporteur de glucose a été révélée comme indiqué sur le côté droit de la figure. Dans l'état entièrement déplié des protéines d'hélice individuelles, le domaine N proche de l'extrémité N-terminale est d'abord replié pour obtenir la capacité de formation de structure de la protéine. Ensuite, avec l'aide de l'EMC et d'une molécule lipidique de forme unique, le domaine C se replie et finalement les deux domaines se combinent pour former une structure protéique tertiaire fonctionnelle. Crédit :Université nationale de Séoul

Des pincettes magnétiques peuvent être utilisées pour appliquer une force sur une seule protéine, dépliant ainsi complètement la structure d'une protéine. De plus, si la force appliquée est ensuite réduite, il est possible d'observer le processus de repliement de la protéine libérée dans sa forme pliée d'origine (Figure 1,2).

Les protéines de transport du glucose, comme leur nom l'indique, sont un groupe de protéines qui possèdent une voie par laquelle le glucose peut passer. Les voies de transport du glucose sont fonctionnellement essentielles, mais ces voies agissent également comme des obstacles dans la formation des structures tertiaires des protéines membranaires. Les cellules disposent de divers assistants pour résoudre ces difficultés. Dans cette étude, il a été découvert que l'EMC, un type de chaperon protéique, ainsi que des molécules lipidiques à structure unique agissent conjointement pour aider le transporteur de glucose dans la formation de sa structure.

Figure 3 :Analyse phylogénétique pour divers transporteurs de sucre. La bioinformatique a été utilisée pour analyser la séquence de GLUT3 ainsi que d'autres protéines de transport de sucre liées à l'évolution. Un total de 143 protéines ont été analysées et présentées sous forme d'arbre phylogénétique comme le montre la figure de gauche. La séquence de la protéine de transport du sucre des métazoaires, y compris Homo sapiens, a été analysée de près, comme indiqué à droite. En combinant ces données avec les informations observées sur la voie de repliement obtenues grâce à des pincettes magnétiques, il a été révélé que la capacité de formation de structure des protéines membranaires et leur capacité à transporter efficacement les sucres se développaient toutes deux selon un équilibre évolutif. Crédit :Université nationale de Séoul

Plus précisément, il a été confirmé que le domaine correspondant à la moitié des protéines de transport du glucose situées dans l'extrémité N-terminale contenait des formations de structure plus stables par rapport aux protéines du domaine C-terminal ultérieur (Figure 2). En utilisant la bioinformatique, cette caractéristique des protéines de transport de glucose s'est avérée conservée dans toutes les protéines de transport de sucre métazoaires (Figure 3). Grâce à ces observations, on peut conclure que la cellule devait trouver un équilibre dans sa structure en sacrifiant une partie de sa capacité de formation de structure afin d'obtenir des protéines membranaires plus fonctionnelles en développant des chaperons hautement fonctionnels ou des molécules lipidiques à structure unique. + Explorer plus loin