La protéine LRRK2 est une cible thérapeutique clé pour la maladie de Parkinson

Une protéine insaisissable que beaucoup considèrent comme la clé pour comprendre pleinement les causes de la maladie génétique de la maladie de Parkinson est devenue beaucoup plus claire.

Impactant des millions de personnes dans le monde, la maladie de Parkinson est un trouble neurologique qui attaque progressivement les fonctions motrices, entraînant des dommages durables dans le mouvement et la coordination, entre autres.

Les chercheurs qui étudient les principales causes de la maladie se sont concentrés sur les mutations de la protéine connue sous le nom de répétition kinase 2 riche en leucine, ou LRRK2. Comprendre comment LRRK2 perturbe le fonctionnement normal a été difficile en raison d'un manque d'informations sur la structure de la protéine.

Puisque LRRK2 est une cible médicamenteuse majeure, les efforts pour déchiffrer l'architecture de LRRK2 ont même inclus le lancement d'échantillons dans l'espace afin d'utiliser des conditions de microgravité pour aider à cristalliser des échantillons de protéines, mais sans succès.

Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université de Californie à San Diego utilisant des technologies de pointe ont produit les premières visualisations de LRRK2 dans son environnement cellulaire naturel et le premier plan à haute résolution de la protéine.

Ils ont exploité ces représentations pour décrire comment LRRK2 se lie aux pistes cellulaires appelées microtubules et agit comme un barrage routier pour les moteurs qui se déplacent le long de ces pistes. Les résultats sont décrits dans deux articles de recherche publiés dans les revues Cell et Nature.

«Ces deux articles font des pas de géant vers le développement de thérapies plus efficaces pour la maladie de Parkinson, qui affecte tant de vies», a déclaré le doyen de la Division des sciences biologiques, Kit Pogliano, PhD, professeur à la section de biologie moléculaire.

« La combinaison de la microscopie cryoélectronique et de l'imagerie des cellules vivantes permet aux chercheurs de voir les protéines travailler à l'intérieur des cellules et de déterminer plus rapidement comment les médicaments potentiels affectent leur fonction. Cela accélérera la découverte de médicaments et donnera un nouvel espoir aux personnes souffrant de cette maladie débilitante. »

LRRK2: une cible thérapeutique clé pour la maladie de Parkinson

Connu sous le nom de kinase, LRRK2 est un type d'enzyme qui ajoute des marqueurs chimiques phosphatés à d'autres protéines, influençant leur fonction. Les mutations LRRK2 sont la principale cause des formes héréditaires de la maladie de Parkinson, mais les chercheurs ne comprennent pas complètement comment cette enzyme fonctionne normalement ou dans des états pathologiques.

Les réponses à ces questions ont été vigoureusement recherchées, en particulier parce que les kinases sont l'une des cibles pharmacologiques les plus établies en thérapeutique. Depuis que le gène LRRK2 a été cloné pour la première fois en 2004, d'énormes efforts ont été consacrés à le cibler pour le traitement de la maladie de Parkinson.

Susan Taylor, une autorité de renommée mondiale dans le domaine des kinases, a reconnu que l'expertise de l'UC San Diego était parfaitement adaptée pour s'attaquer à ce problème. Avec le soutien de la Michael J.Fox Foundation https://www.michaeljfox.org, une équipe internationale, comprenant des chercheurs de l'UC San Diego, a entrepris d'étudier LRRK2 à l'aide de nouvelles technologies.

Un schéma cellulaire de LRRK2 sur des microtubules

Comme décrit dans l'article Cell, les chercheurs de l'UC San Diego dirigés par Elizabeth Villa, PhD, et ses collègues ont exploité une nouvelle technologie révolutionnaire connue sous le nom de tomographie cryoélectronique (cryo-ET), une modalité de microscopie cryo-électronique (cryo-EM), pour voir LRRK2 dans son environnement naturel dans les cellules et décrire sa structure à un niveau jamais vu auparavant.

Dans de nombreux cas, lorsque les chercheurs cherchent à déterminer la structure d'une protéine, ils commencent par isoler la protéine en dehors des cellules. Lors de l'utilisation de la cryo-EM, les scientifiques gèlent les molécules dans une fine couche de glace, préservant leur structure et déterminent leur structure à haute résolution. Au lieu de cela, l'équipe de Villa photographie des cellules congelées contenant les molécules à l'étude, prenant des photos sous différents angles, un peu comme un scanner CAT.

« Nous avons soulevé le capot pour regarder à l'intérieur de la cellule les molécules gelées prises en train d'interagir les unes avec les autres à différents endroits de la cellule », a déclaré Villa, qui a noté l'importance de co-développer les instruments de pointe utilisés dans l'étude. avec les efforts considérables de Thermo Fisher Scientific et de l'UC San Diego pour créer une nouvelle installation de cryo-EM sur le campus.

« Nous avons utilisé des faisceaux d'électrons et d'ions comme un sabre laser pour faire exploser des parties de la cellule. Au milieu, nous avons laissé une fenêtre contenant les molécules que nous souhaitons regarder. »

Les chercheurs ont également utilisé la microscopie optique pour trouver les molécules dans les cellules et des outils de modélisation informatique avancés pour développer un modèle intégratif haute résolution d'un mutant LRRK2. Leurs données ont révélé LRRK2 lié aux autoroutes cellulaires, appelées microtubules, les décorant dans une géométrie étonnamment régulière et inattendue, et ont prédit que la kinase de LRRK2 ressemblait à un état « overdrive » connu pour se produire dans la maladie de Parkinson.

« Cette combinaison de nouvelles techniques puissantes a été appliquée pour la première fois dans cette recherche et a permis d'obtenir les premiers aperçus de la structure d'un mutant LRRK2, avec l'avantage supplémentaire de son contexte cellulaire », a déclaré Villa.

«À notre connaissance, c'est la structure de résolution la plus élevée d'une protéine humaine qui a été déterminée à l'intérieur des cellules avant d'utiliser des outils biochimiques conventionnels. Nous apportons une structure à la biologie cellulaire.

Un plan moléculaire de LRRK2

Afin de comprendre comment LRRK2 fonctionne au niveau chimique et de concevoir des thérapies, une structure de résolution encore plus élevée est nécessaire pour révéler la position des atomes et comment ils interagissent avec les médicaments potentiels.

Dans l'étude Nature, les co-auteurs principaux Samara Reck-Peterson, PhD, et Andres Leschziner, PhD, ont examiné de plus près la structure et la fonction de LRRK2 et se sont associés au groupe de Villa pour déterminer comment LRRK2 interagit avec les microtubules.

À l'aide de cryo-EM, l'équipe de Leschziner a capturé l'image la plus détaillée à ce jour de la structure de LRRK2, jusqu'au niveau atomique. Stefan Knapp, professeur à l'Université Goethe de Francfort en Allemagne, et son groupe ont également joué un rôle déterminant en déterminant comment rendre le LRRK2 traitable pour les travaux de structure.

La structure comprenait le côté commercial de la protéine -; qui comprend la partie qui marque d'autres protéines avec des phosphates. Les emplacements de toutes les mutations majeures responsables de la maladie de Parkinson se trouvent dans cette structure.

Ensuite, le groupe Leschziner a combiné sa structure avec celle de Villa et a proposé un modèle qui explique comment LRRK2 se lie aux microtubules.

«Vous pouvez considérer la partie kinase de LRRK2 comme un peu comme Pacman, elle peut être ouverte ou fermée», a déclaré Leschziner, professeur à l’école de médecine et à la division des sciences biologiques de l’UC San Diego.

Notre modélisation a suggéré que, lorsqu'elle est liée aux microtubules, la kinase doit être dans un état fermé, indiquant que la forme de la kinase peut réguler la liaison de LRRK2 aux microtubules. En faisant équipe avec le laboratoire Reck-Peterson, nous avons décidé de tester ce modèle directement. « 

Leschziner, professeur, faculté de médecine, division des sciences biologiques, Université de Californie à San Diego

LRRK2 est un barrage routier pour les moteurs moléculaires

Les microtubules sont la spécialité de Reck-Peterson. Elle et son équipe s'intéressent aux moteurs moléculaires qui transportent la cargaison le long des microtubules et comment les défauts de ce transport provoquent des maladies neurodéveloppementales et neurodégénératives humaines.

Reck-Peterson et son équipe se sont demandé si l'interaction de LRRK2 avec les microtubules pourrait être préjudiciable aux machines moléculaires qui se déplacent sur eux et transportent les cargaisons essentielles d'un endroit à l'autre dans les cellules.

Son équipe a découvert que LRRK2 crée des barrages routiers qui arrêtent ces machines moléculaires. Ils ont également montré que certains médicaments ciblant la kinase de LRRK2 renforcent cet effet, tandis que d'autres le diminuent.

Alors que Leschziner et Reck-Peterson ne sont pas encore sûrs si les barrages routiers jouent un rôle dans la maladie de Parkinson, leurs découvertes ont déjà des implications pour la conception de médicaments thérapeutiques qui agissent en inhibant LRRK2. Leurs travaux indiquent la possibilité que les inhibiteurs de kinase qui ferment le domaine kinase de LRRK2 pourraient conduire à l'effet indésirable de bloquer le mouvement des moteurs moléculaires.

« On ne sait pas encore quel rôle joue la liaison des microtubules LRRK2 dans la maladie de Parkinson », a déclaré Reck-Peterson, professeur à la faculté de médecine et division des sciences biologiques de l'UC San Diego et chercheur de l'Institut médical Howard Hughes.

« Mais ce que nous avons maintenant, ce sont des plans cellulaires et moléculaires, et c'est ce qu'il faut pour comprendre ce que fait LRRK2 et pour affiner les médicaments thérapeutiques qui ciblent LRRK2. »