Les premières structures complètes de deux protéines chaperonnes de choc thermique dans un complexe révèlent la région structurelle clé régulant leur fonction, selon une nouvelle étude de l'hôpital de recherche pour enfants St. Jude. Le complexe chaperon lie les protéines mal repliées et leur donne une autre chance de se replier correctement. Ce processus est essentiel pour les cellules car les protéines mal repliées ont tendance à s’agréger, provoquant potentiellement un large éventail de maladies. Cependant, le mécanisme par lequel ces deux principales protéines chaperonnes du choc thermique, Hsp40 et Hsp70, se lient les unes aux autres et entraînent des peptides mal repliés n'était pas clair. Les nouvelles structures ont permis aux scientifiques d’identifier le fonctionnement de la machinerie cellulaire. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans Cellule moléculaire.
« Les protéines chaperons du choc thermique forment la première ligne de défense contre le mauvais repliement et l'agrégation des protéines, précurseurs de nombreuses maladies », a déclaré l'auteur correspondant Charalampos Babis Kalodimos, PhD, chaire du Département de biologie structurale de St. Jude.
Nous avons montré comment ces deux protéines chaperons de choc thermique particulières se réunissent, révélant un ensemble de mécanismes jusqu'alors inconnus expliquant comment elles fonctionnent en tandem et comment elles peuvent mal fonctionner.
Charalampos Babis Kalodimos, Département de biologie structurale, Hôpital de recherche pour enfants St. Jude
Les protéines chaperons du choc thermique sont essentielles dans la plupart des organismes, avec des versions similaires présentes des bactéries aux humains. Les bactéries Hsp40 et Hsp70 sont connues pour aider les protéines mal repliées à se replier correctement, grâce à des décennies de recherche sur leur fonction de protéines chaperonnes. Les versions humaines de ces protéines sont également liées à plusieurs maladies. Cependant, la manière exacte dont Hsp40 et Hsp90 lient une protéine cliente et entre elles était inconnue, car personne n'avait été en mesure de surmonter les obstacles techniques impliqués dans la capture de la structure massive sur toute la longueur.
Au lieu d'utiliser une approche unique, les scientifiques de St. Jude ont combiné données de microscopie électronique cryogénique, d'imagerie par résonance magnétique nucléaire et de cristallographie aux rayons X pour enfin résoudre la structure du complexe bactérien. Ils ont capturé plusieurs formes de structure, constituées de dimères (paires) de Hsp70 interagissant avec des dimères de Hsp40, dans plusieurs états différents de liaison aux protéines clientes.
« Plus important encore, nous avons capturé les structures complètes des états actif et inhibé, liées à une protéine mal repliée », a déclaré Kalodimos. « Mais nous avons également résolu plusieurs éléments plus petits. En les assemblant ensemble, ils nous ont donné un nouveau modèle du fonctionnement réel des complexes Hsp40 et Hsp70. »
La région G/F gère les transferts de protéines de choc thermique
Les mutations dans une région spécifique de Hsp40 sont associées à toute une série de maladies, notamment de nombreuses maladies neurodégénératives, mais la manière dont ces mutations perturbent les fonctions normales était inconnue. La région est riche en acides aminés hautement conservés appelés glycines et phénylalanines, bien que leurs fonctions exactes ne soient pas claires. Les structures ont révélé que cette région de Hsp40 se lie d'abord à une protéine cliente, puis qu'une phénylalanine particulière se lie au site de liaison du substrat sur Hsp70. Cette phénylalanine attire ensuite la protéine mal repliée vers le site de liaison du substrat, en se déplaçant, bien que le reste de Hsp40 reste lié à Hsp70. Après le transfert, le peptide mal replié est ensuite déplié par Hsp70.
« Nous avons d'abord découvert le mécanisme de transfert, dans lequel Hsp40 donne le client à Hsp70 en insérant initialement une phénylalanine dans la poche de liaison, qui transfère ensuite le client vers le même site », a déclaré Kalodimos. « Mais ensuite, en ayant des structures du complexe dans plusieurs états, nous avons également vu comment le complexe libère des protéines clientes. »
Les scientifiques ont découvert que lorsque l’ATP, la monnaie énergétique de la cellule, se lie à Hsp70, Hsp70 change de forme, repoussant la phénylalanine dans la poche de liaison, qui à son tour repousse la protéine cliente et la libère dans la cellule. Ensuite, Hsp40 quitte Hsp70 et est alors disponible pour se lier à une autre protéine mal repliée, recommençant ainsi le processus.
« Nous comprenons maintenant de manière mécanique comment les chaperons et les clients protéiques forment ce très grand complexe, comment ils sont libérés et comment ils traversent ces états », a déclaré Kalodimos. « Grâce à ces connaissances, nous disposons d'un point de départ pour rechercher des interventions thérapeutiques compenser les mutations causant des maladies, pour les exploiter comme cibles médicamenteuses contre les cancers ou pour inspirer les antibiotiques de nouvelle génération.
