Misfolding (mauvais repliement)-Désordre :

Comment le paradigme « une séquence-une structure » est

mis sur la sellette

Désordre

En 1894 Fisher propose le mécanisme de la clé-serrure : ‘un enzyme et un glucoside doivent être complémentaires comme une clé et une serrure afin d’avoir un effet chimique l’un sur l’autre.’

En 1936 Mirsky et Pauling travaillent sur la dénaturation:

• L’activité de la pepsine est en relation avec son taux de dénaturation

• De nombreuses protéines natives forment des cristaux caractéristiques alors que les protéines dénaturées ne cristallisent pas

‘Les propriétés spécifiques caractéristiques des protéines natives sont dues à leur configuration définie et unique. Une protéine dénaturée est caractérisée par l’absence d’une configuration définie et unique’

Naissance du paradigme structure-fonction: la séquence primaire d’une protéine contient les informations qui conduisent à sa structure 3D, et celle-ci permet l’activité biologique de la protéine

HistoriqueHistorique

Paradigme structure - fonction

En 1961, Anfinsen démontra que la ribonucléase pouvait revenir à sa conformation initiale après dénaturation tout en préservant son activité enzymatique. Ce fait suggère que toutes les informations nécessaires à une protéine pour obtenir sa conformation finale est encodée dans sa structure primaire.

Les années suivantes: les expériences sur la dénaturation continuent sur d’autres protéines et renforcent l’idée selon laquelle la fonction dépend de la structure.

Mais en 1952 premier doute: Edsall ’Est-il raisonnable d’espérer que la variété sans fin de protéines que l’on trouve dans la nature, leurs interactions les unes avec les autres ainsi qu’avec d’autres molécules d’une diversité et d’une spécificité extraordinaires, soient explicables à partir de quelques motifs relativement rigides, simplement en variant la nature et la séquence des chaînes latérales attachées à un motif répétitif fondamental?’

Ce doute est rapidement enterré par la résolution des structures 3D de la myoglobine, du lysosyme et par l’avalanche des 12.000 structures qui ont suivi… Mais la résistance s’organise et continue à travailler…

HistoriqueHistorique

Paradigme structure - fonction

En 1950 Karush étudie l’albumine et montre qu’elle a une capacité quasi universelle à se lier à de petites molécules anioniques hydrophobes.

S’inspirant de la théorie de la clé-serrure, il en conclut que son site actif est capable d’adopter un grand nombre de configurations d’énergies similaires et qui sont en équilibre. Lors de l’interaction avec un anion hydrophobe donné, la meilleure configuration de site actif est sélectionnée à partir de l’ensemble de structures concept de l’adaptabilité conformationnelle

A la même époque, Koshland est sur la même piste mais donne un autre nom à l’adaptabilité conformationnelle: l’induced fit

C’est la première fois qu’on suggère qu’un changement conformationnel serait responsable de la fonction d’une protéine. On ne se pose pas encore la question de savoir si le processus de liaison induit une nouvelle conformation ou si il s’agit d’une sélection entre un ensemble de structures en équilibre

Il faut attendre 1978 pour qu’un mouvement de domaine lors de la liaison soit suggéré (association glucose-hexokinase: on arrive à cristalliser l’ensemble mais pas l’enzyme seule). Depuis, ce mouvement à été mesuré par diffraction RX.

Première mise en doute sérieuse de l’universalité du paradigme structure-fonction

HistoriqueHistorique

Paradigme structure - fonction

Dès lors, on accorde plus d’attention aux résultats des diffractions RX (surtout l’absence de résultat…). En effet, il existe dans les structures résolues, des segments protéiques qui n’ont pas de densité électronique (RX) alors qu’ils sont essentiels à la fonction de la protéine.

Origines possibles: - défauts dans le cristal

- digestion protéolytique accidentelle lors de la purification

de la protéine

- problème de détermination de phase

- l’atome, la chaîne lat., le résidu, la région ne diffracte pas les RX de manière cohérente à cause d’une variation de position d’une protéine du cristal à l’autre

Indique une région désordonnée

En 1978, la RMN révèle la queue hydrophobe fonctionnelle de l’histone H5 est désordonnée, ce qui confirme qu’un segment protéique n’ayant pas de densité électronique en RX peut être désordonné et fonctionnel.

HistoriqueHistorique

Paradigme structure - fonction

DéfinitionsDéfinitions

Modèle du folding 2 états:

Une protéine existe soit à l’état foldé, soit à l’état random coil

État natif ou ordonné État dénaturé ou désordonné

Fonction biologique L’activité biologique diminue ou n’existe plus

Paradigme structure - fonction

Modèle avec intermédiaires partiellement foldés:

Etat foldé Etat partiellement foldé Etat random coil

État ordonné ou natif État désordonné Molten globule

+ compact que random coil

chaînes latérales proches du random coil mais backbone proche état ordonné

Analogue à l’état liquide mais le globule fondu (molten globule) peut avoir plusieurs structures

Analogue à l’état solide Analogue à l’état gazeux

DéfinitionsDéfinitions

Paradigme structure - fonction

Structure 3D native Fonction biologique

Dunker et al. (2001) Modèle de la Trinité Protéique

Etat ordonné

Etat random coilEtat molten globule

fonction

fonction

fonction

fonctionfonction fonction

Une fonction particulière peut dépendre d’un des 3 états ou d’une transition entre 2 d’entre eux

Paradigme structure – fonction revisité

Séquence AA

Folding

Structure 3D

Fonction: clé-serrure

Ordre désordre

Pénétration agents viraux/pathogènes

Insertion membranaire

Non folding

Ensemble flexible exposition de sites

Voies de régulation, réplication virale

reconnaissance moléculaire

Désordre ordre

Rôles des transitions entre états découvertes jusqu’à présent

Interaction prot/ligand

Exp: spectre RMN

Exp: dichroïsme circulaire (CD)

unfolded

folded

TAT

(virus HIV)

NTail

(virus de la rubéole)

Prédiction des domaines désordonnés

Plusieurs serveurs qui prédisent le désordre:

3 exemples

DISPROTDISPROT (Dunker): http://www.ist.temple.edu/disprot/Predictors.html

DisEMBLDisEMBL :

http://dis.embl.de

MEDORMEDOR: consensus

http://www.vazymolo.org/MeDor/index.html

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

sequence

dis

ord

er

•VL2 : linéaire ; VL3 : réseaux neuronauxVL3 : différentes banques de données : VL3H : basée sur des homologues de protéines désordonnées (utlisation de Blast pour trouver les homologues)VL3E : basée sur des profils de séquences recherchés avec Psi-BlastUtilisation de VL3 est meilleure que VL2

•Performance de la méthode : 75-95 %. La méthode marche mieux pour la prédiction des domaines ordonnés (85 %) que pour les segments désordonnés (75-80%). Ceci s’explique par le fait que le désordre d’une protéine peut être défini de différentes manières, tandis que l’ordre est plus facilement définissable de manière non univoque.

•Le désordre est mieux prédit lorsque les domaines ont une longueur supérieure à 30 résidus.Le taux de fiabilité diminue si domaine désordonné < 30 aa (taux d’erreur augmente sur petits domaines)

•Fenêtre :VL2 est optimisé pour une fenêtre de 41VL3 fonctionne mieux avec une fenêtre de 41 ou 61

disEMBL

disEMBL se base sur 3 « predictors » pour entraîner le réseau neuronal:

• les régions non structurées (ou définies comme coils dans la base de données DSSP qui contient les structures secondaires des protéines de la banque PBD)

• « hot loops » : les boucles ayant un facteur B (ou facteur de température) important, càd ayant une grande mobilité

•Les coordonnées manquantes dans les fichiers PDB (REMARK465 dans les fichiers PDB)

Cet algorithme prédit également les domaines peu complexes (low complexity regions)

TANGO: prédit les domaines ayant une propension à s’agréger (voir ci après)

Protéines amyloïdes, protéines

transconformationnelles

Protéines amyloïdes= protéines ayant un comportement aberrant

Protéines « normales » qui à un moment donné s’agrègent

Les protéines amyloïdogéniques subissent une transconformation

Mauvais Mauvais repliement et repliement et

agrégationagrégation

Maladie de Parkinson Séquestration de la mélanine

Incompatibilité végétativeMaladie d’Alzheimer

Fibrillation in vitro

Les protéines amyloïdogéniques Définition : les fibrilles amyloïdes présentent :

- une apparence caractéristique en microscopie électronique,

- une affinité pour le rouge Congo avec une biréfringence verte,

- et un spectre de diffraction aux rayons X typique

Disease Protein Featured

Alzheimer's disease Beta amyloid[6][7][8]

Type 2 diabetes mellitus IAPP (Amylin)[9][10]

Parkinson's disease Alpha-synuclein[7]

Transmissible spongiform encephalopathy e.g. Bovine Spongiform Encephalopathy Prion[11]

Huntington's Disease Huntingtin[12][13]

Medullary carcinoma of the thyroid Calcitonin[14]

Cardiac arrhythmias Atrial natriuretic factor

Atherosclerosis Apolipoprotein AI

Rheumatoid arthritis Serum amyloid A

Aortic medial amyloid Medin

Prolactinomas Prolactin

Familial amyloid polyneuropathy Transthyretin

Hereditary non-neuropathic systemic amyloidosis Lysozyme

Dialysis related amyloidosis Beta 2 microglobulin

Finnish amyloidosis Gelsolin

Lattice corneal dystrophy Keratoepithelin

Cerebral amyloid angiopathy Beta amyloid[15]

Cerebral amyloid angiopathy (Icelandic type) Cystatin

systemic AL amyloidosis Immunoglobulin light chain AL[16]

Sporadic Inclusion Body Myositis S-IBM

pheochromocytoma

Osteomyelitis

Multiple myeloma

Non-disease and functional amyloids

•Native amyloids in organisms•Curli E. coli Protein (curlin) •Chaplins from Streptomyces coelicolor •Podospora Anserina Prion Het-s •Malarial coat protein •Spider silk (some but not all spiders) •Mammalian melanosomes (pMel) •Tissue-type plasminogen activator (tPA), a hemodynamic factor •Proteins and peptides engineered to make amyloid •Several yeast prions are based on an infectious amyloid,

eg. [PSI+] (Sup35p); [URE3] (Ure2p); [PIN+] (Rnq1p); [SWI1+] (Swi1p) and [OCT8+] (Cyc8p)

Hélice β parallèle Structure βsuper-plissée

Echange de domaines

Les protéines amyloïdogéniques Structure des fibrilles amyloïdes

Structure quaternaire en cross résistante aux protéases

Les protéines amyloïdogéniques Toxicité associée aux structures amyloïdes

Fibrilles amyloïdesIntermédiaires oligomériques

Intermédiaires amyloïdogéniques

Mauvais repliement ou dénaturation

Evènements pathogéniques

•Dyshoméostasie du calcium

•Espèces oxygénées réactives

•…

Dysfonction et mort cellulaire

Pores amyloïdes

Prediction de domaines ayant une propension à s’agréger

TANGO (disEMBL):

•Basé sur les principes physico- chim de la formation de feuillet et l’hypothèse que les brins béta qui s’agrègent sont totalement enfouis au sein de la structure (solvatation)

•Tient compte des charges et des conditions exp (t°, solvant)