Base structurale de la reconnaissance moléculaire dans les protéines intrinsèquement désordonnés – ProteinDisorder

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est la méthode de choix pour étudier les PIDs à résolution atomique. Ces protéines sont particulièrement flexibles et une structure unique n’est pas suffisante pour représenter leur comportement conformationel. Dans ce projet, nous utilisons les données expérimentales de RMN combinées avec les développements des approches bioinformatiques pour obtenir des descriptions par ensemble de structures des PIDs en solution. Les ensembles capturent à la fois les propriétés conformationelles pour chaque acide aminé et la dynamique des protéines. Cette approche permet d’obtenir une vue détaillée sur les PIDs et les transitions structurales associées à la formation de complexes biologiques.

Nous avons développé des méthodes bioinformatiques basées sur la sélection des ensembles de structures des PIDs en utilisant des données expérimentales de RMN. Ces méthodes offrent une description des propriétés conformationelles à l'échelle atomique. Nous avons appliqué ces approches à l'étude des nombreuses PIDs qui sont importantes pour la sante humaine comme par exemple le domaine C-terminale de la nucléoprotéine du virus de la rougeole, qui joue un rôle essentielle dans la transcription et réplication du virus, ainsi que a-synucléine et Tau qui peuvent se convertir en formes pathologiques dans la maladie de Parkinson et d'Alzheimer.

Les approches développées dans ce projet sont novatrices et proposent les fondamentaux nécessaires aux études futures d'un plus grand nombre de protéines désordonnées. Le lien étroit entre la présence de protéines intrinsèquement désordonnées et les maladies humaines souligne l'importance de ces développements. A titre d'exemple, les protéines désordonnées sont notamment impliques dans les mécanismes moléculaires des maladies d'Alzheimer, de Parkinson et du cancer. Plus nous en saurons à propos du fonctionnement des PIDs à l’échelle moléculaire, plus nous aurons d’outils pour développer des médicaments efficaces ciblant cette classe de protéines.

Le projet a donné lieu à 21 publications dans des journaux à comité de lecture dont 1 PNAS, 3 JACS, 1 PLoS Pathog. 1 Angew. Chemie et 1 Nat. Chem. Biol. Les développements méthodologiques et informatiques effectués dans ce projet ont été décrits dans une revue récente (Jensen et al, Chem. Rev 2014). En outre, les résultats ont fait l’objet de communications orales dans un certain nombre de conférences internationales ainsi que dans des établissements universitaires.

L’inexorable entrelacement liant structure et fonction d’une protéine, a motivé un investissement colossal dans les projets de génomique structurale, reposant sur l’hypothèse que la résolution de la structure tridimensionnelle d’une protéine permet d’en déduire la fonction moléculaire. Cependant, au cours de la dernière décennie, il est devenu de plus en plus clair qu'une fraction importante (jusqu'à 40%) des protéines codées par le génome humain sont intrinsèquement désordonnées ou contiennent des régions désordonnées de longueur importante (> 50 aa). Ces protéines intrinsèquement désordonnées (PIDs) sont fonctionnelles en dépit d'une absence de structure stable et le paradigme structure-fonction classique ne peut donc plus leur être appliqué. Il devient alors essentiel d’élaborer une méthodologie entièrement renouvelée pour comprendre la relation entre la séquence primaire d’une PID et sa fonction. Les transitions ordre-désordre accompagnant les interactions de PIDs avec leurs partenaires physiologiques, et les transitions entre formes solubles, saines, et formes agrégées, pathologiques, de certaines de ces protéines constituent des exemples particulièrement intrigants dont les origines moléculaires reste peu ou pas comprise en terme de biophysique structurale. Le fait que les PIDs soient fréquemment associées à des maladies humaines, y compris le cancer, les maladies cardiovasculaires, l'amylose, les maladies neurodégénératives et le diabète, ne fait que renforcer l’importance de ces questions.
Ce projet de recherche vise à améliorer notre compréhension du comportement conformationnel, de la structure et de la dynamique des PIDs et en particulier leurs interactions avec les partenaires physiologiques. Nous avons identifié quelques questions clefs actuellement sans réponse concernent les mécanismes permettant aux PIDs d’être reconnues par leurs partenaires protéiques, les transitions entre états dépliés et repliés, et la présence et l’importance d’éléments de structure transitoires. Nous allons étudier des systèmes modèles ayant ces comportements afin de mieux comprendre cette relation, par exemple des PIDs qui peuvent se replier en différentes conformations suivant la protéine partenaire ou qui peuvent contenir plusieurs éléments de reconnaissance moléculaire (motifs linéaires).
Afin de mener à bien ces études, nous allons développer une représentation de l’état désordonné par ensembles moléculaires, basée sur de nouveaux outils d’analyse permettant l’utilisation conjointe d’importants jeux de données expérimentales issus tant de la résonance magnétique nucléaire (RMN) que de la diffusion aux petits angles. Cette approche sera à la base de nos investigations pour obtenir l’information fondamentale nécessaire à la compréhension des fondements structuraux et dynamiques de la reconnaissance moléculaire pour les PIDs. Ces approches seront aussi utilisées pour étudier le comportement de la protéine Tau, une PID soluble dont la transition conformationelle accompagne le développement de la maladie d’Alzheimer.
Une autre question fondamentale liée à l’étude des systèmes intrinsèquement désordonnés concerne la vraie nature des PIDs dans l’environnement fonctionnel de la protéine. Afin d’étudier cette question, nous allons étudier le comportement conformationnel des PIDs dans des conditions aussi proches que possible de celles trouvées in vivo. Par exemple, nous étudierons les PIDs dans le contexte des grands assemblages moléculaires ou au sein de cellules intactes. Afin d’améliorer notre capacité à étudier des domaines intrinsèquement désordonnés nous allons aussi appliquer une méthode de criblage haut débit pour les protéines solubles, qui combinée à la RMN permettra d’identifier de nouvelles régions intrinsèquement désordonnées dans les grands assemblages moléculaires.