Etude du couplage entre la dynamique conformationelle d'un transporteur ABC et son environnement membranaire – InterplayMbABC

Les protéines transmembranaires sont impliquées dans des fonctions cellulaires majeures, comme l'homéostasie, la bioénergétique, la désintoxication et la communication. Leur dysfonctionnement est associé aux pathologies humaines les plus graves, comme les maladies neuro-dégénératives, le cancer, les résistances aux antibiotiques et les infections virales. Actuellement, des consortiums internationaux associent différentes approches fondées sur la biologie structurale et cellulaire et la biophysique pour comprendre la fonction des protéines transmembranaires au niveau moléculaire. Ils cherchent à déterminer la relation structure-fonction des protéines ainsi que l'effet des interactions protéines-lipides, mais n'incluent pas les effets associés aux propriétés physiques des membranes. Ces dernières années, les physiciens des membranes, dont les partenaires 1 et 3, ont apporté des preuves du couplage intrinsèque entre la forme des protéines et les propriétés de leur environnement membranaire. Les études ont été limitées jusqu'ici à des protéines de forme fixe et n'ont pas considéré le rôle des changements structurels dynamiques liés à leur fonction.
Le défi consiste maintenant à comprendre la rétroaction entre la dynamique conformationnelle fonctionnelle d'une protéine et les propriétés physicochimiques de la membrane qui l'entoure, à l'échelle locale et au-delà. Nous allons étudier les questions ouvertes suivantes : (i) Comment la dynamique conformationnelle dépend de la composition lipidique. ii) Comment elle est modifiée par la tension et la courbure de la membrane. (iii) Comment elle influence les propriétés de la protéine dans la membrane telles que sa mobilité latérale et sa distribution spatiale courbure-dépendante.
Pour aborder la rétroaction entre dynamique conformationnelle d'une protéine et son environnement membranaire, nous allons utiliser des protéines présentant de grands changements conformationnels durant leur cycle ATP-asique, reconstituées dans des systèmes membranaires modèles (liposomes petits et géants) aux propriétés physico-chimiques contrôlées. C'est le cas des transporteurs multi-résistants aux drogues (MDR) ABC pour lesquels le transport de drogues. Nous allons étudier BmrA, un transporteur bactérien et la PgP de mammifères. Ces protéines sont impliquées dans la détoxication et la protection des tissues. Leur structure et fonctions sont dépendantes des propriétés et composition membranaire.
Les concepts et outils de la physique des membranes permettent d’aborder sous un angle nouveau les questions actuelles du transport de drogues et concevoir de nouvelles stratégies de régulation et d'inhibition: i) les transitions dynamiques et stochastiques entre conformations catalytiques ii) l'interdépendance entre les propriétés de la membrane et leurs conformations dynamiques iii) le rôle de la force hors-équilibre due à l'hydrolyse de l'ATP dans la dynamique de conformation, la mobilité latérale et l’organisation spatiale de la protéine. Les connaissances acquises sur BmrA seront ensuite étendues à la PgP pour comprendre sa flexibilité conformationnelle et sa distribution spatiale.
Pour relever avec succès ces défis, nous allons associer les efforts de 4 groupes possédant un ensemble unique d'expertises en biologie structurale, systèmes biomimétiques, simulation « gros-grains », biophysique des membranes et de la molécule unique et physique statistique. Ainsi, nous pourrons explorer tous les aspects du problème: la structure des protéines (cryo-EM), la dynamique des changements de conformation (mesures de FRET en molécule unique), et son couplage avec les propriétés de la membrane (micromanipulation, suivi de particule unique, modélisation, modèles théoriques). Globalement, ce projet permettra une approche multi-échelle originale des cycles catalytiques des protéines membranaires qui ira au-delà de la description structure-fonction et inclura l'action réciproque entre la protéine et son environnement membranaire.