Dans une avancée majeure pour la conception rationnelle de médicaments, une équipe Texas A&M AgriLife a décrit plusieurs structures protéiques d’un acteur crucial dans les processus cellulaires. Cette avancée pourrait apporter de nouvelles idées pour le traitement de maladies telles que la maladie d’Alzheimer, le sida, le cancer et autres.
Plus précisément, les travaux décrivent le domaine C1 de la protéine kinase C, PKC, qui aide à réguler l’activité de la protéine dans les organismes. Dans les structures, le domaine C1 s’enroule autour de différentes molécules d’intérêt thérapeutique intense, fournissant le premier guide fiable à résolution atomique pour la conception de candidats-médicaments.
Publié le 16 mai dans Communication Nature, la recherche a été dirigée par Tatyana Igumenova, Ph.D., professeure agrégée au Département de biochimie et de biophysique du Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences. L’auteur principal du projet est Sachin Katti, Ph.D., un boursier postdoctoral travaillant avec Igumenova.
L’étude a impliqué une collaboration avec Inna Krieger, Ph.D., professeure adjointe de recherche, et James Sacchettini, Ph.D., professeur, tous deux au Département de biochimie et de biophysique.
Une des structures protéiques les plus recherchées
Une cellule saine répond aux signaux chimiques de manière précise et complexe. Recevoir les apports chimiques de l’environnement de la cellule et les transmettre aux systèmes de contrôle centraux au sein du noyau cellulaire est la tâche de protéines spécialisées telles que PKC.
Une activité PKC inappropriée apparaît dans de nombreuses maladies humaines. En conséquence, il existe un grand intérêt à trouver des moyens d’affiner l’activité de la PKC avec des médicaments. La conception de tels médicaments offrira de nouvelles approches pour le traitement de la maladie d’Alzheimer, du SIDA, du cancer et plus encore.
« La protéine kinase C est l’une des protéines les plus étudiées en biologie cellulaire et en pharmacologie », a déclaré Igumenova. « Un obstacle majeur a été le manque d’informations structurelles précises pour guider les efforts de conception de médicaments. »
Une complication pour la conception de médicaments est que la famille PKC compte 11 membres. Différents membres de la famille PKC peuvent avoir des effets physiologiques opposés, de sorte qu’un médicament candidat retenu doit être sélectif quant à la PKC qu’il cible.
Pour ce faire, les candidats-médicaments doivent s’adapter à une PKC cible comme la clé d’une serrure. Mais la détermination de la structure 3D d’un « sur-commutateur » PKC – le domaine C1 – lié aux activateurs PKC n’a pas été facile.
Les structures protéiques sont généralement résolues à l’aide de la cristallographie aux rayons X. La technique consiste à utiliser des rayons X pour déterminer la position des atomes dans un cristal. Pour cette méthode, les chercheurs doivent créer des conditions dans lesquelles la protéine d’intérêt cristallise. Pourtant, des efforts intenses dans de nombreux laboratoires de recherche au cours des trois dernières décennies n’ont pas réussi à produire des cristaux de domaines C1 liés à des ligands pertinents. En raison de ce manque de progrès, plusieurs chercheurs ont déclaré la tâche impossible, a déclaré Igumenova.
Résoudre un problème de 30 ans
Acceptant le problème comme un défi, Katti et Igumenova ont plutôt décidé d’étudier les molécules en solution en utilisant la résonance magnétique nucléaire, la RMN, la spectroscopie. Cela impliquait de trouver les bons composants pour imiter les membranes cellulaires, où le domaine C1 rencontrerait des ligands.
« Puis, un beau jour, Sachin a découvert des cristaux se formant dans un vieux tube RMN », a déclaré Igumenova. « Je donne tout le crédit à Sachin, qui a essentiellement dit: » Je vais aller les tester et voir s’ils sont réellement la protéine. Et il avait raison. Cela nous a donné confiance que la cristallisation est possible. »
À son tour, Katti accorde du crédit aux informations obtenues grâce à la RMN, et un peu de chance.
« Je pense que c’est la beauté de faire de la recherche où vous devez utiliser plusieurs approches », a-t-il déclaré. « On ne sait jamais quand une approche va être utile pour faire quelque chose avec d’autres approches. »
Aperçus de la RMN et de la cristallographie aux rayons X
Les nouvelles structures protéiques, ainsi que les résultats RMN de l’équipe, ont déjà fourni des informations intéressantes. Un mystère de longue date est de savoir comment les domaines C1 peuvent accueillir des ligands qui ont des structures chimiques très différentes, a déclaré Igumenova.
« Nos travaux RMN précédents ont indiqué que les boucles du domaine C1 qui lient les ligands sont très dynamiques », a déclaré Igumenova. « Ce domaine C1 est comme un PAC-man. Il se lie à la membrane, puis il recherche un ligand. Une fois qu’il a trouvé le ligand, il s’y accroche. »
De plus, la structure montre que la rainure de liaison au ligand a une surface « qui aime l’eau », ou hydrophile, en bas, et une surface « hydrophobe », ou hydrophobe, en haut.
« Si vous pensez à une molécule lipidique, le groupe de tête est hydrophile et la queue est hydrophobe », a déclaré Igumenova. « Ainsi, lorsque les domaines C1 se lient aux ligands lipidiques, les motifs correspondent. »
Les résultats de l’équipe incluent la structure d’un domaine C1 lié à son ligand naturel, le diacylglycérol. De plus, l’équipe décrit plusieurs autres structures de C1 qui incluent différents composés d’intérêt pharmacologique.
Le travail fournit également une méthode pour tester différents candidats-médicaments, a déclaré Katti.
« Si vous voulez étudier les poissons, vous voulez les étudier dans l’eau », a déclaré Katti. « Nous savons maintenant comment créer un environnement semblable à une membrane où ces composés très hydrophobes peuvent être testés pour la liaison C1. »
Ensuite, Katti et Igumenova prévoient d’explorer les domaines C1 d’autres membres de la famille PKC.
« Il est important pour nous de nous concentrer sur les domaines C1 car ils ont des différences inhérentes qui peuvent être exploitées pour atteindre la sélectivité », a déclaré Igumenova. « Ce que nous constatons maintenant, c’est que tous les domaines C1 ne sont pas créés égaux. »
Sachin S. Katti et al, Anatomie structurelle des interactions du domaine de la protéine kinase C C1 avec le diacylglycérol et d’autres agonistes, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30389-2