Des chercheurs des National Institutes of Health ont développé une structure tridimensionnelle qui leur permet de voir comment et où les mutations de la maladie sur la protéine scintillante peuvent entraîner des maladies mitochondriales. La protéine aide les cellules à utiliser l’énergie que notre corps convertit à partir des aliments. Avant le développement de cette structure 3D, les chercheurs ne disposaient que de modèles et étaient incapables de déterminer comment ces mutations contribuent à la maladie. Les maladies mitochondriales sont un groupe de maladies héréditaires qui affectent 1 personne sur 5 000 et qui ont très peu de traitements.
« Pour la première fois, nous pouvons cartographier les mutations qui causent un certain nombre de ces maladies dévastatrices », a déclaré l’auteure principale Amanda A. Riccio, Ph.D., et chercheuse à l’Institut national des sciences de la santé environnementale (NIEHS). ADN mitochondrial Replication Group, qui fait partie du NIH. « Les cliniciens peuvent désormais voir où se situent ces mutations et peuvent utiliser ces informations pour aider à identifier les causes et aider les familles à faire des choix, y compris des décisions concernant le fait d’avoir plus d’enfants. »
Les nouvelles découvertes seront particulièrement pertinentes pour développer des traitements ciblés pour les patients souffrant de maladies mitochondriales telles que l’ophtalmoplégie externe progressive, une condition qui peut entraîner une perte des fonctions musculaires impliquées dans le mouvement des yeux et des paupières ; le syndrome de Perrault, une maladie génétique rare qui peut entraîner une perte auditive ; l’ataxie spinocérébelleuse infantile, un trouble neurologique héréditaire ; et le syndrome de déplétion de l’ADN mitochondrial hépato-cérébral (ADNmt), une maladie héréditaire qui peut entraîner une insuffisance hépatique et des complications neurologiques pendant la petite enfance.
Cette image en rotation montre la structure 3D que les chercheurs du NIEHS ont créée à partir de la protéine scintillante. Les chercheurs ont utilisé Cryo-EM et d’autres techniques pour montrer comment les mutations de la maladie sur la protéine peuvent entraîner des maladies mitochondriales. La vidéo zoome sur l’interface protéique où se produisent de nombreuses mutations de la maladie. Crédit : AA Riccio, NIEHS
Le papier qui apparaît dans le Actes de l’Académie nationale des sciences montre comment les chercheurs du NIEHS ont été les premiers à cartographier avec précision les variantes cliniquement pertinentes de l’hélicase scintillante, l’enzyme qui déroule la double hélice de l’ADN mitochondrial. La structure scintillante et toutes les coordonnées sont maintenant disponibles dans les données ouvertes Banque de données sur les protéines accessible gratuitement à tous les chercheurs.
« La structure du scintillement a échappé aux chercheurs pendant de nombreuses années. C’est une protéine très difficile à utiliser », a noté William C. Copeland, Ph.D., qui dirige le groupe de réplication de l’ADN mitochondrial et est l’auteur correspondant de l’article. « En stabilisant la protéine et en utilisant le meilleur équipement au monde, nous avons pu construire la dernière pièce manquante pour le réplicome de l’ADN mitochondrial humain. »
Les chercheurs ont utilisé la cryo-microscopie électronique (CryoEM), qui leur a permis de voir à l’intérieur de la protéine et les structures complexes de centaines d’acides aminés ou de résidus et comment ils interagissent.
Les mitochondries, qui sont responsables de la production d’énergie, sont particulièrement vulnérables aux mutations. Les mutations de l’ADNmt peuvent perturber leur capacité à générer efficacement de l’énergie pour la cellule. Contrairement à d’autres structures spécialisées dans les cellules, les mitochondries ont leur propre ADN. Dans le noyau d’une cellule, il y a deux copies de chaque chromosome, mais dans les mitochondries, il pourrait y avoir des milliers de copies d’ADNmt. Avoir un nombre élevé de chromosomes mitochondriaux permet à la cellule de tolérer quelques mutations, mais l’accumulation d’un trop grand nombre de copies mutées conduit à une maladie mitochondriale.
Pour mener l’étude, les chercheurs ont utilisé une mutation clinique, W315L, connue pour provoquer une ophtalmoplégie externe progressive, pour résoudre la structure. À l’aide de CryoEM, ils ont pu observer des milliers de particules de protéines apparaissant dans différentes orientations. La structure finale montre un arrangement circulaire multi-protéique. Ils ont également utilisé la spectrométrie de masse pour vérifier la structure, puis ont effectué des simulations informatiques pour comprendre pourquoi la mutation entraîne une maladie.
En un clin d’œil, ils ont pu cartographier jusqu’à 25 mutations pathogènes. Ils ont découvert que bon nombre de ces mutations pathologiques se situent juste à la jonction de deux sous-unités protéiques, ce qui suggère que des mutations dans cette région affaibliraient la façon dont les sous-unités interagissent et rendraient l’hélicase incapable de fonctionner.
« L’arrangement du scintillement ressemble beaucoup à un puzzle. Une mutation clinique peut modifier la forme des pièces scintillantes, et elles peuvent ne plus s’emboîter correctement pour remplir la fonction prévue », a expliqué Riccio.
« Ce qui est si beau à propos du travail du Dr Riccio et de l’équipe, c’est que la structure vous permet de voir un si grand nombre de ces mutations de la maladie réunies en un seul endroit », a déclaré Matthew J. Longley, Ph.D., auteur et chercheur au NIEHS. « Il est très inhabituel de voir un article qui explique autant de mutations cliniques. Grâce à ce travail, nous nous rapprochons de l’information qui peut être utilisée pour développer des traitements pour ces maladies débilitantes. »
Amanda A. Riccio et al, Aperçu structurel et caractérisation de l’hélicase humaine Twinkle dans la maladie mitochondriale, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2207459119