Protéines : cinétique et désordre. – DYN-IDP

La résonance magnétique nucléaire est une technique spectroscopique particulièrement adaptée à l’étude des protéines désordonnées. Elle permet d’obtenir des informations quantitatives et très précises, à l’échelle d’un résidu d’acide aminé voire d’un atome. L’exploration des mouvements aux échelles de temps nanoseconde dans les protéines requiert cependant le développement de nouvelles approches expérimentales. Pour cela nous avons construit et utilisé des instruments « navettes » qui permettent de déplacer un échantillon hors du cœur de l’aimant d’un spectromètre de résonance magnétique nucléaire afin d’accéder à des propriétés qui dépendent du champ magnétique.
Par ailleurs, étudier les échelles de temps des mouvements serait une approche incomplète si elle n’était accompagnée d’une description quantitative de l’espace conformationnel d’une protéine désordonnée et d’une caractérisation des liens entre ces propriétés physico-chimiques et la fonction d’une protéine. Nous avons donc employé un grand nombre de techniques de RMN en synergie avec d’autres approches biophysiques, telles que la résonance paramagnétique électronique et l’étude d’interactions par anisotropie de fluorescence.

Nous avons assemblé et ajusté un système de déplacement d’échantillon, marqué par sa grande sensibilité. Par ailleurs, nous avons établi une démonstration de l’approche de relaxométrie haute résolution sur une protéine modèle. Nous avons également développé un nouveau modèle pour l’interprétation des données de relaxation dans les protéines désordonnées. Par ailleurs, nous avons étudié en détail l’espace conformationnel de la protéine Engrailed 2 et le lien avec sa fonction.
Afin de préparer le futur de la relaxométrie haute résolution, nous avons également conçu au niveau théorique, un système permettant de créer des paliers de champ magnétique dans le champ de fuite d’un aimant supraconducteur.

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Une première étude de mouvements nanoseconde a été publiée en 2013. Notre nouveau modèle d’interprétation des données dans les protéines désordonnées a été publié au Biophys. J. Le design de paliers de champ magnétique a été publié dans Sci. Rep. Plusieurs autres publications sont en cours de rédaction

Il est clair que de nombreuses protéines accomplissent des fonctions biologiques essentielles sans avoir de structure tridimensionnelle bien définie. C’est en contradiction directe avec la règle de Pauling qui établit qu’une protéine active doit nécessairement avoir une structure tridimensionnelle bien définie. Les protéines intrinsèquement désordonnées représentent une part importante du protéome eucaryote. La description de leur espace conformationnel est un champ de recherche très actif en biophysique.Contrairement aux protéines structurées, la description de leur dynamique est très mal connue, alors qu’il est certain que les mouvements de ces protéines jouent un rôle très important dans leur fonction biologique. Nous proposons un ensemble d’approches nouvelles fondées sur la relaxation en résonance magnétique nucléaire pour sonder la dynamique des protéines non-repliées.

Deux méthodologies différentes et complémentaires seront mises en œuvre. Tout d’abord, nous développerons de nouvelles expériences et utiliserons des approches existantes pour rassembler un jeu complet d’informations sur les mouvements du squelette peptidique. Cet ensemble, sans précédent, de données expérimentales sur la dynamique de nombreux vecteurs internucléaires du squelette peptidique et la corrélation de leurs mouvements sera essentiel à la compréhension de la dynamique des protéines non repliées sur une large gamme d’échelles de temps. D’autre part, nous allons développer un appareil innovant pour réaliser des expériences avec un cycle de champ magnétique. Ce système offre les la richesse d’information offerte par la relaxométrie sans sacrifier la sensibilité et la résolution d’un spectromètre à haut champ.

Ces informations seront collectées sur des systèmes biologiques importants qui constituent des cibles thérapeutiques potentielles (maladie de Parkinson, cancer). Ces protéines sont (1) deux régulateurs naturels de la protéine phosphatase 1, différant par leur degré de structure résiduelle, I-2 (structuration résiduelle importante) et la spinophiline (faible structuration résiduelle), ainsi que (2) un facteur de transcription qui possède un homéodomaine bien replié et de larges régions non repliées, Engrailed 2. L’étude de l’ensemble de ces systèmes couvrira ainsi une large gamme d’espaces conformationels de protéines désordonnées actuellement connues. L’ensemble de données fort importantes que nous collecterons sur la nature et les échelles de temps des mouvements de ces protéines contribuera de manière décisive à la compréhension des mécanismes moléculaires de la fonction de protéines intrinsèquement désordonnées.