Les insertions et les délétions façonnent la spécificité des coenzymes dans les enzymes de Rossmann

On pense que les coenzymes contenant des nucléobases sont les reliques d’un ancien monde d’ARN et peuvent fournir des informations sur l’origine et l’évolution des protéines. Cependant, les interactions coenzyme-protéine restent largement floues.

Récemment, des chercheurs de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University se sont penchés sur les enzymes de Rossmann pour trouver des réponses, découvrant que les insertions et les délétions façonnent essentiellement la spécificité des coenzymes dans ces protéines. Leurs découvertes, bien que significatives sur le plan de l’évolution, fournissent également potentiellement une nouvelle stratégie pour concevoir la spécificité des coenzymes.

Les coenzymes sont des molécules qui assistent les protéines dans près de la moitié de toutes les réactions qu’elles catalysent. Ces petites molécules organiques contiennent des nucléotides, tout comme dans les éléments constitutifs de notre ADN et de notre ARN. Si les coenzymes jouent un rôle extrêmement crucial dans la catalyse des protéines, leur importance ne se limite pas à cela seul.

Les coenzymes contenant des nucléobases sont considérées comme les vestiges fossiles d’un ancien monde basé sur l’ARN, dont on a émis l’hypothèse qu’il existait avant même que les toutes premières protéines n’existent. Ils peuvent, hypothétiquement, offrir un examen plus approfondi de la façon dont les protéines ont émergé et évolué. Malheureusement, on ne sait pas grand-chose sur l’évolution des interactions coenzyme-protéine.

La structure et la fonction de toute protéine sont codées dans sa séquence d’acides aminés. Certaines structures sont conservées au cours de l’évolution dans tous les règnes de la vie. Une de ces structures récurrentes – le « pli de Rossmann » – a été découverte par le Dr Michael Rossmann en 1970.

Le pli de Rossmann est l’architecture protéique la plus diversifiée et la plus abondante sur le plan catalytique dans la nature et constitue une excellente cible pour étudier les interactions coenzyme-protéine. Les protéines de Rossmann présentent diverses fonctions catalytiques en raison de minuscules différences dans leur structure. Ces différences affectent les spécificités de liaison de leurs catalyseurs co-actifs, les coenzymes.

Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) ont récemment modifié la poche de coenzyme d’une protéine de Rossmann qui effectue naturellement des réactions redox pour se lier à un agent de méthylation à la place. Alors que la protéine naturelle se lie au coenzyme NAD (nicotinamide adénine dinucléotide), le mutant a perdu la capacité de se lier au NAD et a acquis la liaison au SAM (S-adénosyl méthionine). Leurs conclusions ont été publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Le Dr Paola Laurino, professeure adjointe qui dirige l’unité d’ingénierie et d’évolution des protéines OIST, déclare : « Comme preuve de principe, nous avons conçu une protéine oxydoréductase pour accepter une coenzyme méthylante SAM au lieu de sa coenzyme naturelle NAD. Cela implique la refonte de l’ancienne et boucle riche en glycine hautement conservée. Cette tâche n’est pas triviale en raison de la complexité de la liaison H intramoléculaire et elle a attiré l’attention de nombreux ingénieurs en protéines dans le passé.

Historiquement, les interactions protéiques ont été étudiées à l’aide de la mutagenèse dirigée, un processus qui donne naissance à des protéines modifiées où un ou plusieurs acides aminés sont remplacés par d’autres. Cependant, jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas pleinement exploité le potentiel des « insertions » et des « délétions » (collectivement appelées « InDels »). Contrairement aux substitutions d’acides aminés, un « InDel » modifie significativement la structure de la protéine en raison de l’ajout ou de la suppression d’un ou plusieurs acides aminés de la séquence protéique correspondante.

Tout d’abord, les chercheurs ont effectué des analyses approfondies et remodelé l’ancien motif de liaison aux coenzymes du NAD en celui de liaison au SAM. Pour y parvenir, ils ont retiré un InDel de trois acides aminés de la poche de coenzyme NAD et ont résolu la structure du mutant résultant. Comme prévu, le mutant présentait les caractéristiques structurelles caractéristiques d’une poche de liaison SAM.

Ensuite, l’équipe a décidé de valider leur découverte en étudiant les interactions du mutant généré avec SAM. À cette fin, l’équipe a effectué des mesures de calorimétrie de titrage isotherme – une technique biophysique qui détermine les affinités de liaison – et a validé le changement de coenzyme réussi lorsqu’elle a observé que le mutant se liait effectivement. Les résultats ont ensuite été corroborés par des simulations informatisées.

L’auteur principal, le Dr Saacnicteh Toledo-Patiño, chercheur postdoctoral à l’unité d’ingénierie et d’évolution des protéines de l’OIST, conclut : « Il est étonnant que les combinaisons de séquences possibles pour une petite protéine, d’environ 100 acides aminés de longueur, dépassent le nombre d’atomes dans le connu Pour cette raison, la nature n’a exploré qu’un fragment infinitésimal de ces possibilités, et pourtant, est capable de conduire le grand nombre de réactions qui entretiennent la vie. »