Mutations déterminantes

Représentation schématique des quatre différences structurelles déterminantes de la fonction entre les glutaredoxines actives enzymatiquement et inactives.

Comparaison des quatre différences structurelles déterminantes de la fonction entre les glutaredoxines actives enzymatiquement et inactives.

Des chercheurs allemands ont pu identifier les différences structurelles précises qui déterminent si une protéine devient une enzyme active ou une armature pour les ions de fer. Cette découverte, rapportée dans la revue spécialisée Nature Communications, offre un aperçu plus approfondi des processus cellulaires fondamentaux tels que la synthèse de l'ADN et le métabolisme du fer.

Quatre mutations dans un groupe de protéines appelé glutaredoxines déterminent comment ces protéines fonctionnent dans divers organismes, allant des bactéries, levures, plantes jusqu’à l’humain, rapportent des chercheurs dans Nature Communications.

« Ces protéines sont d'une importance cruciale pour des voies métaboliques vitales », a expliqué le professeur Marcel Deponte, biochimiste à la Technische Universität Kaiserslautern, qui a dirigé la recherche. « Les connaissances acquises sur ces protéines enrichissent notre compréhension fondamentale du fonctionnement de la vie. »

Il existe deux classes principales de protéines de glutaredoxine. Les glutaredoxines de classe I sont des enzymes qui catalysent des réactions redox importantes, comme la synthèse des composés de départ de l'ADN. Les glutaredoxines de classe II ne sont pas des catalyseurs actifs, mais servent de transporteurs et de capteurs pour les clusters fer-soufre, jouant un rôle clé dans le métabolisme du fer.

Alors que les biochimistes connaissent ces deux classes depuis plus de 20 ans, il n’était jusqu’à présent pas clair quelles différences structurelles expliquaient leurs différentes fonctions. Marcel Deponte s’est associé à des chercheurs de l’Université de la Sarre et de l’Université Heinrich-Heine de Düsseldorf pour étudier ces protéines en éprouvette, dans des cellules de levure, et via des modélisations assistées par ordinateur.

Les structures par résonance magnétique nucléaire des protéines ont révélé quatre régions contenant des différences ou mutations dans les séquences d’acides aminés entre la classe I et la classe II. Marcel Deponte et ses collaborateurs voulaient précisément savoir dans quelle mesure chaque mutation contribuait à transformer une protéine de glutaredoxine inactive de classe II en une glutaredoxine catalytiquement active de classe I, ou vice versa.

Pour cela, ils ont utilisé une combinaison de techniques de modification et de suivi. Dans un premier temps, ils ont produit et purifié les protéines pour analyser leur activité dans un test in vitro. Normalement, une enzyme active de classe I catalyserait ou soutiendrait une réaction redox, c’est-à-dire une réaction chimique impliquant le transfert d’électrons entre molécules.

L’équipe a remplacé systématiquement des segments de la protéine inactive de classe II par des segments correspondants de protéines actives de classe I, et vice versa. La différence physique la plus notable entre les deux classes est une boucle allongée dans les protéines inactives de classe II. Après avoir coupé cette boucle longue et l’avoir remplacée par la boucle plus courte d’une protéine de classe I, ils ont observé une légère augmentation de l’activité catalytique. En combinant cette mutation avec d’autres, l’activité de la protéine de classe II augmentait progressivement. Les chercheurs en ont conclu que la boucle longue agit comme un interrupteur dans la classe II inactive, et que l’introduction des quatre mutations caractéristiques des glutaredoxines de classe I est nécessaire pour transformer complètement une protéine inactive en une enzyme active. Finalement, ils ont réussi à convertir des protéines inactives, dont la fonction est généralement de reconnaître ou de transférer des clusters fer-soufre, en enzymes actives qui catalysent des réactions redox, et vice versa.

« Les mutations dans ces quatre régions travaillent ensemble pour transformer la protéine en un catalyseur redox actif ou en une protéine capable de lier le fer », a expliqué Marcel Deponte.

L’équipe de biochimie du Sarre, dirigée par le professeur Bruce Morgan, a ensuite développé un test pour évaluer la pertinence de ces mutations dans des cellules de levure vivantes, confirmant le même schéma de résultats — toutes les quatre mutations étant nécessaires pour une transition complète entre les deux classes. Pour ces analyses, les chercheurs ont utilisé une sonde fluorescente verte dont la fluorescence change lorsqu’elle détecte des réactions redox. La lumière modifiée de la sonde a indiqué dans quelle mesure une mutation permettait à la protéine de catalyser des réactions redox à l’intérieur des cellules.

Par ailleurs, le groupe de simulation en chimie pharmaceutique computationnelle et bioinformatique moléculaire, dirigé par le professeur Holger Gohlke à Düsseldorf, a effectué des simulations de dynamique moléculaire avec des superordinateurs, qui ont également confirmé et complété ces résultats.

Dans l’ensemble, ces trois séries d’études offrent « une image vraiment convaincante du fonctionnement de ces protéines », déclare Marcel Deponte. « Ce résultat a été rendu possible grâce à un programme prioritaire de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, qui favorise ce type de collaboration », ajoute-t-il en expliquant.

Les prochaines étapes pourraient consister à étudier l’impact de ces mutations sur des cellules humaines ou à appliquer un processus similaire à d’autres protéines. Grâce aux progrès de la technologie de séquençage génétique, des milliers de protéines ont été décryptées, mais les scientifiques n’en ont encore qu’un aperçu très limité de ce que ces protéines accomplissent ou comment elles fonctionnent.

Publication originale :

M. Deponte et al., « Évaluation quantitative des différences structurelles déterminantes entre glutaredoxines actives et inactives », Nature Communications, DOI : 10.1038/s41467-020-15441-3 (04/2020)