Une nouvelle méthode ouvre la voie à l’étude des protéines à séquence répétée

Science

Certaines pathologies – c’est notamment le cas de la maladie de Huntington - sont causées par des protéines présentant un nombre anormalement élevé de répétitions d’un même acide aminé. La structure protéique adoptée au niveau de ces répétitions est désordonnée et non accessible aux outils d’analyse actuels. Mais à Montpellier, l’équipe de Pau Bernadó vient de mettre au point une nouvelle méthodologie permettant de s’affranchir de cette limite. Ce travail ouvre la voie à une meilleure compréhension de la maladie de Huntington, mais également à l’étude d’autres maladies héréditaires associées à ce type de phénomène.

Les protéines sont formées d’une combinaison de 20 acides aminés. Chez les eucaryotes, environ 15% des protéines présentent des séquences composées de la répétition d’un seul acide aminé. Ces répétitions confèrent une certaine plasticité aux protéines mais, dans un petit nombre de cas, les parties répétées s’étendent. Cela entraîne l’agrégation de la protéine concernée et son dysfonctionnement.

Ainsi, la maladie de Huntington est provoquée par la présence d’une protéine, la huntingtine, présentant un nombre anormalement élevé de répétitions de l’acide aminé glutamine. Habituellement, la glutamine est répétée autour de 20 fois dans cette protéine. Mais un défaut dans la réplication de l’ADN peut conduire le nombre de glutamines à augmenter de génération en génération. La maladie de Huntington se développe lorsque le nombre de répétitions dépasse 35, et ce de façon d’autant plus précoce que le nombre de glutamines est élevé : une personne porteuse d’une huntingtine présentant 38 répétitions de la glutamine déclarera la maladie à un âge très avancé, alors que dans les formes juvéniles de la maladie la protéine est caractérisée par 55, voire 100 répétitions de l’acide aminé.

Un seuil pathologique du nombre de répétitions

"Le nombre de 35 répétitions apparaît comme un seuil au-delà duquel la protéine se comporte anormalement, explique Pau Bernadó du centre de biochimie structurale* à Montpellier. Notre hypothèse est qu’au-delà de cette limite, la protéine change de structure et voit sa fonction altérée. Cependant, tester cette hypothèse se heurte à un obstacle méthodologique : les outils actuels ne permettent pas d’étudier ce type de protéine". En effet, la partie polyglutaminique de la protéine ne se replie pas ; elle reste désordonnée et n’est pas accessible à la cristallographie classiquement utilisée pour déterminer la structure 3D des protéines. Une autre méthode, la spectroscopie par résonnance magnétique nucléaire (RMN), permet d’accéder à la structure de protéines non repliées : elle est déduite de la fréquence de résonnance des atomes, fréquence qui est spécifique de chaque atome et varie en fonction de son environnement proche. Néanmoins cette méthode est de peu d’utilité dans le cas des séquences répétées puisque tous les acides aminés sont identiques : toutes les glutamines apparaissent sur une région très réduite du spectre, rendant difficile son attribution.

Marquer individuellement chaque glutamine

Zoom sur la partie du spectre de RMN de la protéine huntingtine contenant la séquence polyglutaminique. La méthode développée par l’équipe de Pau Bernadó permet de marquer individuellement les glutamines (notées Q) et de les identifier à l’intérieur d’un ensemble autrement indifférencié (en gris). Chaque pic correspond à un acide-aminé.

C’est pour mettre au point une méthodologie permettant d’étudier la structure des huntingtines normales et pathologiques, que Pau Bernadó a bénéficié d’un financement du Conseil européen de la recherche (ERC). Deux ans de travail ont été nécessaires pour réaliser la preuve de concept publiée en mars dernier dans la revue Angewandte Chemie International Edition. Ce chercheur et son équipe ont combiné deux méthodes (synthèse de protéine in vitro et ARNt suppresseurs de codons non-sens) pour marquer individuellement chaque glutamine et pouvoir ainsi les identifier sur les spectres issus de la RMN. En réitérant l’opération sur chaque glutamine présente, il est possible d’obtenir la structure de la partie polyglutaminique et d’étudier l’impact du nombre de glutamines répétées sur cette structure.

Une fenêtre sur le monde des protéines à séquences répétées

Cette nouvelle méthodologie ouvre de nombreuses perspectives pour l’étude des protéines avec répétitions, encore peu documentées. Les répétitions de la glutamine sont à l’origine d’au moins dix autres maladies neurodégénératives comme la maladie de Kennedy et autres pathologies neuromusculaires, avec des seuils de répétitions pathologiques très similaires. Par ailleurs, beaucoup de protéines comportant des répétitions d’acides aminés sont impliquées dans des fonctions biologiques importantes. Mieux cerner le monde encore opaque des protéines répétées permettra de mieux comprendre leur comportement et d’envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Note

* unité 1054 Inserm/CNRS/Université de Montpellier, Centre de biochimie structurale (CBS), équipe Structure et fonction de protéines hautement flexibles, Montpellier

 

Source

A Urbanek et coll. A general strategy to access structural information at atomic resolution in polyglutamine homorepeats. Angew Chem Int, édition en ligne du 7 mars 2018