Travaillant avec de minuscules bactéries, des chercheurs de la Michigan State University dirigés par Lee Kroos ont fait une découverte qui pourrait avoir de grandes implications pour la biologie.
Les chercheurs ont révélé une nouvelle façon dont la nature peut inhiber ou désactiver des protéines importantes appelées protéases intramembranaires, que l’équipe a rapportées le 26 avril dans la revue eVie.
Bien que les chercheurs aient fait cette découverte en utilisant un organisme modèle, un microbe connu sous le nom de Bacillus subtilis, ce type de protéine est hautement conservé, c’est ainsi que disent les biologistes évolutionnistes, « il est partout ».
Ces types de protéases se trouvent dans des organismes qui couvrent tous les règnes de la vie, des bactéries unicellulaires aux humains. En fait, la première protéase intramembranaire a été découverte chez l’homme en 1997 et peut-être le membre le plus connu de cette famille, nommé gamma-sécrétase, est impliqué dans la maladie d’Alzheimer.
« Notre article montre le premier exemple de régulation d’une protéase intramembranaire avec des protéines inhibitrices naturelles », a déclaré Kroos, professeur au Département de biochimie et de biologie moléculaire du Collège des sciences naturelles et au Département de microbiologie et de génétique moléculaire. « Cela nous donne quelques idées sur la façon dont nous pourrions utiliser et imiter cela.
« Cela nous dira-t-il comment moduler la gamma-sécrétase ? Non », a déclaré Kroos. « Mais cela pourrait donner aux gens des idées sur les décorations qu’ils pourraient mettre sur les inhibiteurs à essayer comme thérapeutiques. »
L’utilisation de ces informations pour concevoir des médicaments pour traiter la maladie d’Alzheimer prendra des années, a déclaré Kroos, mais les résultats pourraient avoir des impacts plus immédiats dans la lutte contre les pathogènes bactériens particulièrement méchants et tenaces. Cela inclut Bacillus anthracis, la bactérie à l’origine des infections à l’anthrax, et d’autres bactéries responsables du tétanos, du botulisme et des intoxications alimentaires.
« Beaucoup, beaucoup de bactéries ont des protéases intramembranaires qui sont assez étroitement liées à celle que nous avons étudiée », a déclaré Kroos, qui est membre de l’Association américaine pour l’avancement des sciences depuis 2014, en partie grâce à son travail approfondissant notre compréhension de biologie avec des bactéries. « Si nous les découvrons, nous pourrions trouver un moyen de rendre les bactéries moins résistantes au stress et plus faciles à traiter avec des antibiotiques. »
Une meilleure connaissance de ces protéases pourrait également permettre de développer des applications dans d’autres domaines, notamment l’agriculture et la protection de l’environnement, eVie noté dans un résumé présentant les travaux des chercheurs. Au-delà de cela, cela aide à brosser un tableau plus complet de la façon dont la vie fonctionne.
« Ce travail devrait avoir un large impact sur notre compréhension de la régulation de cette classe de protéines à travers l’arbre de la vie », a écrit Petra Anne Levin, rédactrice en chef de eVie et professeur de biologie à l’Université de Washington à St. Louis.
Ciseaux, spores et corvettes
Une protéase est une enzyme, un type de machine à protéines, que la nature utilise pour hacher d’autres protéines. Il s’agit d’un processus biologique fondamental que les cellules utilisent pour atteindre divers objectifs. Une protéase intramembranaire est une enzyme dont le site actif – l’endroit où l’enzyme effectue la coupure – est enfoui à l’intérieur d’une membrane cellulaire.
« Parfois, vous les entendrez appeler » ciseaux dans la membrane « », a déclaré Kroos. « Ces protéases intramembranaires font des choses vraiment importantes dans les cellules. »
La protéase étudiée par les chercheurs, par exemple, fait partie du système biologique que B. subtilis utilise pour fabriquer des spores lorsque la nourriture se fait rare. Les spores sont essentiellement des cellules dormantes recouvertes d’une armure protéique qui peuvent résister à des conditions difficiles, puis se réactiver une fois que les choses s’améliorent (d’autres bactéries, y compris B. anthracis, forment également des spores, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles ces agents pathogènes sont si persistants).
Parce que les protéases intramembranaires font leur travail dans les limites d’une membrane cellulaire, il a été difficile pour les chercheurs de déterminer exactement comment elles fonctionnent. Ajoutant à la complexité du projet, les chercheurs pensaient que leur protéase pourrait fonctionner d’une manière sophistiquée qui n’avait jamais été documentée auparavant.
« Quand vous regardez d’autres organismes apparentés, vous voyez que ce système a beaucoup évolué », a déclaré Kroos. « B. subtilis est comme la Corvette. Il a la machinerie haut de gamme. »
Comprendre cette machinerie haut de gamme a nécessité des tests génétiques et biochimiques approfondis, qui ont été menés par Sandra Olenic, doctorante au laboratoire de Kroos. Olenic a obtenu son doctorat. après avoir terminé ce projet et est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université Tufts.
Alors qu’Olenic concevait et menait des expériences, elle et Kroos ont réalisé que leurs résultats ne fourniraient pas toutes les réponses qu’ils cherchaient. Ils se sont tournés vers l’un des collaborateurs de longue date de Kroos, Michael Feig, professeur de biochimie et de biologie moléculaire à la MSU, pour apporter la modélisation informatique et aider à compléter le vaste puzzle.
Lim Heo, un associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire de Feig, avait une expertise dans une technique de calcul qui pouvait prédire les structures des protéines. La technique a récemment fait l’objet d’une plus grande attention grâce à Google et à d’autres grands noms de l’intelligence artificielle développant des progiciels qui la rendent plus accessible à la communauté scientifique.
Avant que de tels outils ne soient disponibles, cependant, Heo et Feig avaient encore le savoir-faire pour aider Kroos et Olenic à commencer à assembler un modèle expliquant le fonctionnement de la protéase intramembranaire.
« Je pense que c’est une histoire vraiment cool et une belle collaboration qui a demandé beaucoup de travail acharné et de persévérance », a déclaré Kroos. « Sandra a fait preuve d’une persévérance et d’un dévouement incroyables. C’est également un mérite pour Lim et Michael d’avoir fait un si bon travail avec la modélisation informatique. »
Compléter le puzzle
Dans l’ensemble, les résultats de l’équipe impliquent que cette protéase intramembranaire de B. subtilis est maintenue inactive, c’est-à-dire qu’elle ne coupe pas sa protéine cible ou son substrat, avec l’aide de deux autres protéines. L’une de ces protéines inhibitrices fonctionne comme une pince, maintenant la seconde protéine logée dans le site actif de l’enzyme en ciseaux.
Les chercheurs émettent l’hypothèse que la bactérie peut alors activer la protéase en relâchant la pince, en laissant la protéine bloquante s’échapper et en laissant entrer la protéine cible.
« C’était comme assembler un puzzle de 5 000 pièces sans savoir à quoi il ressemble », a déclaré Kroos. Bien que le puzzle ne soit pas complètement résolu, l’équipe dispose de suffisamment de données et de résultats pour être sûre qu’elle dispose d’un modèle raisonnable de l’apparence et du fonctionnement des choses. Mais les chercheurs ne s’arrêtent pas là.
Leur prochaine étape est déjà en cours, qui consiste à tester les prédictions du modèle, telles que l’endroit où la pince est attachée à la fois à la protéase et à la protéine inhibitrice, et à voir dans quelle mesure celles-ci correspondent à la réalité. Deux chercheurs de premier cycle du laboratoire de Kroos dirigent ces expériences.
Une autre étape clé consiste à déterminer les structures des protéines impliquées à l’aide de techniques analytiques telles que la cristallographie aux rayons X et la microscopie électronique cryogénique. Kroos travaille sur cette partie depuis environ une décennie avec des collaborateurs de MSU, mais les protéines ne sont pas pressées de livrer leurs secrets.
Kroos soupçonne qu’il pourrait prendre sa retraite avant que le puzzle ne soit totalement terminé, mais cela ne semble pas le déranger. D’une part, il a avoué qu’il pourrait essayer de se faufiler et d’aider si ses collègues le laissaient faire. Et il semble surtout ravi de voir à quel point le puzzle que lui et son équipe peuvent résoudre avec les quelques années qui lui restent.
Lorsque Kroos a commencé à MSU en 1988, la science ne connaissait pas les protéases intramembranaires. Mais peu de temps après leur découverte en 1997, Kroos a décidé qu’il devait changer son objectif de recherche pour inclure ces protéines.
« Ce n’est pas une chose facile à faire », a déclaré Kroos, car tout le monde – y compris les agences de financement – ne croyait pas que le changement pouvait être fait. Mais il a trouvé du soutien et des collaborateurs volontaires à MSU.
« Notre département est vraiment fort dans les protéines membranaires », a-t-il déclaré. « Je pensais que ce serait une bonne chance de fleurir là où j’étais planté. »
Il est sûr de dire que l’hypothèse a été confirmée.
Sandra Olenic et al, Les protéines inhibitrices bloquent l’accès au substrat en occupant la fente du site actif de la protéase intramembranaire de Bacillus subtilis SpoIVFB, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.74275