Marie Leroy
L’exposition constante des cellules à des brokers stressants, tels que des agents pathogènes, peut perturber le fonctionnement normal d’un organisme. Pour lutter contre le anxiety, les cellules ont développé plusieurs mécanismes d’adaptation, dont la réponse inflammatoire.
Bien que l’inflammation soit nécessaire, une trop grande quantité peut altérer le fonctionnement des cellules et des organes. C’est le cas des tempêtes de cytokines – des cascades inflammatoires au cours d’une an infection qui peuvent devenir incontrôlables et conduire à une maladie grave, voire à la mort, comme l’a récemment souligné la pandémie de COVID-19.
Des chercheurs de l’EMBL Grenoble et de l’Université de Genève fournissent des informations essentielles sur une protéine appelée p38?, appartenant à la famille des protéines kinases activées par les mitogènes (MAPK), qui constitue un « commutateur » cellulaire critical déclenchant la réponse inflammatoire. Ils ont obtenu la première construction de p38 ? étant activé par une autre protéine kinase régulatrice – MKK6 – ouvrant de nouvelles directions pour développer des médicaments pour arrêter les tempêtes de cytokines.
Le changement remaining : une cible médicamenteuse
Matthew Bowler, chercheur à l’EMBL Grenoble, étudie les kinases depuis as well as d’une décennie. Ce groupe d’enzymes joue un rôle vital dans la régulation de processus complexes dans la cellule en agissant comme un « commutateur » pour transmettre des signaux et activer l’expression des gènes. Ils le font par phosphorylation, c’est-à-dire en ajoutant un groupe chimique, le phosphate, à d’autres molécules pour moduler leur fonction.
Les travaux de Bowler se concentrent particulièrement sur les MAP kinases, acteurs clés impliqués dans la réponse inflammatoire. L’inflammation est activée via une série de kinases, qui s’activent les unes les autres dans une cascade de réactions, la dernière kinase de la série étant responsable de l’activation de la transcription génique nécessaire à l’inflammation. Ce processus libère des cytokines, des molécules de signalisation professional-inflammatoires, qui, en cas de suractivation, peuvent conduire à des tempêtes de cytokines.
Cette réaction en chaîne kinase est bien régulée et s’apparente à un circuit logique : la réponse inflammatoire nécessite l’activation de boutons spécifiques, activant finalement p38? — le level de rencontre où convergent tous les signaux et le dernier basculement du processus inflammatoire.
Parce que la réaction en chaîne de la kinase peut provenir de différentes « branches » du circuit logique, ce dernier commutateur est une cible médicamenteuse particulièrement pertinente. La réponse inflammatoire est régulée par p38 ? et est fortement activé lors d’une tempête de cytokines. L’inactiver pourrait empêcher l’inflammation de se produire, au lieu d’essayer de la traiter alors qu’elle est déjà en cours.
Les protéines kinases, dont p38?, ont donc été largement étudiées. La première composition de protéine kinase a été résolue il y a 30 ans – une étape importante dans le domaine – et de nombreuses autres constructions ont suivi, avec as well as de 7 000 buildings désormais disponibles dans la banque de données sur les protéines.
Cependant, des éléments importants des énigmes manquent encore. “Les biologistes structuralistes ont obtenu des informations détaillées sur la composition et les fonctions des protéines kinases, mais principalement de manière isolée. Nous ne savons donc pas vraiment remark ces enzymes sont activées tout au long de la réaction en chaîne”, a expliqué Bowler.
Sans ces informations essentielles sur la façon dont l’activation est déclenchée, les médicaments ont principalement ciblé le web page de liaison aux nucléotides des kinases – une poche commune et bien connue présente dans toutes les kinases, où se produit le transfert de phosphate. Le manque de spécificité du médicament en raison d’un internet site de liaison commun à toutes les kinases signifie qu’un médicament conçu pour empêcher une kinase de signaler pourrait également en arrêter d’autres. Cela présente un effet secondaire problématique, compte tenu du rôle essentiel des kinases en tant que régulateurs clés des processus cellulaires.
“De nombreuses molécules ont été conçues pour cibler p38?, en particulier son web page de liaison aux nucléotides, mais aucune n’a encore dépassé les essais cliniques en raison de ce manque de spécificité”, a ajouté Bowler.
Casser le mécanisme d’activation
Bowler et une ancienne doctorante de son laboratoire, Erika Pellegrini, ont donc étudié les interactions entre p38 ? et MKK6 — la kinase qui l’active — depuis 2009. Mais étudier l’interaction entre kinases s’avère extrêmement complexe. “Ces enzymes sont des molécules très dynamiques elles transmettent des signaux importants et doivent agir rapidement. Dans le cas de p38 ?, elle doit pénétrer dans le noyau et activer de nombreuses autres protéines différentes”, a déclaré Bowler.
Ils ont été gênés par le fait que les interactions du MKK6-p38? Le complexe ne peut pas être déterminé par cristallographie macromoléculaire, une procedure de biologie structurale souvent utilisée pour étudier les protéines mais qui est particulièrement difficile à appliquer dans le cas de telles protéines dynamiques.
Les développements récents en microscopie cryoélectronique (cryo-EM), notamment au cours de la dernière décennie, ont suscité de nouveaux espoirs. En 2016, Bowler et la nouvelle doctorante et première auteure de l’article, Pauline Juyoux, ont décidé de passer à cette technique, même si le complexe protéique était à l’époque considéré comme trop petit pour l’analyse cryo-EM. Ils étaient épaulé par Pellegrini, qui avait acquis une skills dans cette procedure.
La ténacité et la collaboration ont été des facteurs clés de la réussite du projet. “Il y a eu beaucoup de hauts et de bas, mais il y a toujours eu des gens ou des times inspirants, dont un particulièrement mémorable”, se souvient Juyoux. “Nous avons obtenu le leading modèle de coloration négative 3D basse résolution exactement le jour même de l’annonce du prix Nobel pour la cryo-EM en 2017. Cela nous a donné un regain de determination ! ”
En utilisant la cryo-EM et des methods complémentaires, telles que la cristallographie des rayons X et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) à l’installation européenne de rayonnement synchrotron et à la supply de lumière diamant, l’équipe a réussi à obtenir la construction 3D du complexe et à identifier un web page d’accueil jusqu’alors inconnu où les deux enzymes interagissent – des informations cruciales pour comprendre remark p38 ? est activé. “Cela pourrait être une cible intéressante pour les inhibiteurs qui bloquent cette conversation spécifique, et par conséquent le sign déclenchant la réponse inflammatoire”, explique Juyoux.
Une collaboration avec le laboratoire Gervasio de l’Université de Genève, qui utilise des simulations de dynamique moléculaire, a permis à Bowler, Pellegrini et Juyoux de mieux comprendre la façon dont les deux kinases interagissent. “Ils ont montré que le modèle que nous avions généré était suitable avec l’activité enzymatique et que le web-site de phosphorylation était à la bonne length du web site actif”, explique Juyoux. “Ils ont également classé les différents kinds de conformations du complexe pour montrer comment ils s’assemblent.”
Surtout, en comparant ces simulations avec les données SAXS, ils ont pu modéliser la façon dont les deux protéines interagissent avant la catalyse. “La beauté de la combinaison des simulations de pointe avec les données SAXS et cryo-EM grâce à des approches statistiques avancées est que nous pouvons “voir” la danse des deux kinases se rapprochant l’une de l’autre, tout en sachant que ce que nous voyons dans le l’ordinateur est pleinement soutenu par toutes les données expérimentales disponibles”, a expliqué Francesco Gervasio. “Les simulations ont nécessité plusieurs mois de temps de calcul généreusement alloué par le Centre countrywide suisse de calcul scientifique”, poursuit-il. “Mais cela en valait la peine, compte tenu de la pertinence des résultats finaux.”
Ces résultats fournissent un website cible alternatif pour les médicaments à explorer et ouvrent également la porte à l’étude de processus similaires dans deux autres familles de kinases MAP : les kinases ERK – impliquées dans le most cancers – et les kinases JNK – également impliquées dans l’inflammation, en particulier dans La maladie d’Alzheimer.
“Les kinases sont très similaires les unes aux autres en termes de séquence et de framework, mais nous ne savons pas remark ni pourquoi elles répondent ou envoient un signal spécifique”, a déclaré Juyoux, dont le projet de recherche actuel en tant que chercheur postdoctoral à l’Institut de Biologie Structurale de Grenoble se concentre sur les kinases JNK. “La comparaison de ces différentes familles de kinases pourrait contribuer à expliquer la spécificité des interactions et ouvrir la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.”
