Le rôle des ions métalliques dans l'agregation, la production de radicaux et la toxicité du peptide amyloïde-? – Neurometals

Des informations structurales sur les complexes entre l’Aß et les ions métalliques (cuivre(II), cuivre(I) et zinc(II), qui sont les formes de cuivre et zinc pertinentes en biologie) sont obtenues par l’utilisation d’une large gamme des différents types de spectroscopie, incluant la résonance paramagnétique nucléaire, résonance paramagnétique électronique, l’absorption des rayons X (aux synchrotrons ERSF à Grenoble et Soleil à Saint-Aubin), la fluorescence, le dichroïsme circulaire, etc. L’utilisation de diverses techniques est un atout primordial pour avoir un aperçu cohérent sur la structure des complexes. Cela était de plus couplé à des techniques de marquage isotopique pour bien identifier les différentes entités sans ambiguïté.
Une approche pluridisciplinaire et utilisant de façon parallèle des techniques de chimie et des effets biologiques a été appliquée pour mieux comprendre le rôle des métaux dans la toxicité vis-à-vis des neurones. Ainsi nous avons pu corréler le mécanisme de production des espèces réactives de l’oxygène avec la toxicité contre les neurones.

- description précise de la structure des complexes entre les ions métalliques cuivre (I), cuivre (II) et, à un moindre degré, zinc(II) avec le peptide Aß non-agrégé.
- compréhension mécanistique du rôle du cuivre(II) et du zinc(II) dans un modèle d’agrégats
- meilleure compréhension de la réaction dite redox du cuivre-Aß, qui semble être à la base de la production des espèces réactives de l’oxygène (agent toxique pour les cellules)

Les résultats obtenus lors de ce projet vont permettre dans la future :
- de mieux comprendre le rôle des ions métallique et leur interaction avec le peptide amyloïde-beta dans la maladie d’Alzheimer.
- les résultats obtenue dans le tube à essaye (in vitro) donne une bonne référence concernant des études dans des systèmes plus biologique, comme des souris transgéniques modèle de la maladie d’Alzheimer
- de concevoir des approche thérapeutique contre la maladie d’Alzheimer base sur le rôle des ions métalliques, qui sont plus fine et plus spécifiques.

Nous avons publié plus d’une vingtaine d’articles dans des revues internationales avec comité de lecture, dont plusieurs revues et dans des journaux de chimie très prestigieux (comme Angewandte Chemie Int. Ed., Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Chemistry Eur. J. ). La majorité de ces publications concerne l’interaction entre les ions cuivreux ou cuivriques et le peptide Aß au niveau des aspects structuraux et de la réactivité chimique.

Les plaques amyloïdes sont une des lésions principales des cerveaux de victimes de la maladie d'Alzheimer (MA). Un peptide nommé amyloïde-? (A?) en est leur principal composant. Le processus d'agrégation d'A? aboutissant à la formation des plaques amyloïdes est un aspect central du développement de la MA. De plus, des formes d'agrégation intermédiaires (oligomères) semblent être les espèces les plus toxiques entrainant la dégénérescence neuronale et in fine la MA. Il a également été montré que les ions métalliques (Cu+/2+, Zn2+) jouent un rôle clef dans l'agrégation des peptides A? et dans la toxicité neuronale. En effet, les plaques amyloïdes contiennent des concentrations élevées de ces ions (~mM). De plus, par son activité redox, l'ion Cu est connu pour jouer un rôle important dans la production des espèces réactives de l'oxygène (ROS) (HO?, H2O2, ?) dont l'implication dans la MA est proposée. Par contre, un effet neuroprotecteur de l'ion Zn2+ (via l'inhibition de la production de ROS) est proposé. Le rôle des ions Cu+/2+ et des ROS dans la toxicité des peptides A? est résumé ci-dessous : Cu + A? -> Cu-A? -> Cu-A? (oligomère) -> génération de ROS -> mort neuronale BUT : Le but de ce projet est de comprendre le rôle des ions métalliques dans les deux étapes clés du développement de la MA ainsi que les mécanismes moléculaires qui leur sont associés: (i) l'agrégation des peptides A? induite par les ions Cu+/2+ et Zn2+, (ii) la toxicité vis-à-vis des neurones des peptides A? métallés (dans les différentes formes agrégées) via la production de ROS.
Nous avons récemment étudié la coordination des ions Cu2+ et Zn2+ avec des peptides tronqués, modèles monomériques solubles des peptides A? [Mekmouche, CBC 2005; Guilloreau, JBIC 2006; Talmard, CBC 2007]. Nous proposons ici d'étudier l'agrégation des peptides A? natifs (A?40 et A?42) induite par les ions Cu+/2+ et Zn2+. Les peptides natifs ou modifiés seront obtenus par surexpression dans E. coli (partenaire 2). Il est également possible de les acheter, leur prix ayant significativement diminué au cours des deux dernières années. La coordination des ions Cu+/2+ et Zn2+ par les peptides A? ainsi que leur effets sur la structure des peptides A? seront étudiés par des méthodes physico-chimiques complémentaires (RPE, RMN, microcalorimétrie, etc.). Des techniques de spectroscopie RPE avancées (ENDOR et ESEEM) seront utilisées pour mieux comprendre la fixation de l'ion Cu2+ au A? dans différents états d'agrégation. Il est envisagé de s'intéresser particulièrement à la coordination de l'ion Cu+ pour lequel peu de données sont disponibles dans la littérature, mais qui joue un rôle primordial in vivo. C?est pourquoi une collaboration au synchrotron SOLEIL vient d?être mise en place (Mesures d'absorption X). Ensuite, l'agrégation induite par les ions métalliques sera suivie par des méthodes applicables à des agrégats (Microscopie électronique à transmission, chromatographies, spectroscopies, ?). L'identification de formes métallées oligomériques, proposées comme espèces les plus toxiques, sera un objectif important de ce projet. La capacité des complexes Cu2+-A? à produire des ROS (en particulier HO?) sera étudiée en présence d'ascorbate et corréler à l'état d'agrégation. Une étude mécanistique de la production de ROS par les espèces Cu+/2+-A? sera menée par électrochimie. Enfin, la pertinence biologique des résultats obtenus in vitro sera validée par la mesure de production de ROS in cello et par une étude de toxicité cellulaire (souche SH-SY5Y). PARTENAIRES: Le projet rassemble trois partenaires de compétences et d'instituts différents (Partenaire 1: chimie (bio)inorganique, partenaire 2: biologies moléculaire et cellulaire, partenaire 3: spectroscopie RPE avancée). Dans ce projet, les peptides A? natifs et mutés pourront être obtenus par production recombinante et mutagenèse dirigée (partenaire 2) (des sources commerciales seront également utilisées). La coordination des ions métalliques et son impact sur la structure du peptide A? seront étudiés par le partenaire 1. L'agrégation en présence des ions métalliques sera étudiée par différentes techniques (partenaires 1-3), le rôle de l'ion Cu2+ dans ce processus étant plus spécifiquement suivi par des techniques avancées de spectroscopie RPE. La production de ROS par les espèces Cu+/2+-A? (sous différents états d'agrégation) sera étudiée in vitro (partenaire 1) et sur cellules (partenaire 2). La complémentarité de ces études devrait permettre d'obtenir des informations essentielles quant aux mécanismes d'agrégation induits par les ions métalliques, de production de ROS par les espèces Cu+/2+-A? ainsi que leur pertinences biologiques.