Les chercheurs élucident la structure et la fonction de l'enzyme qui construit des arbres à sucre complexes

Les chercheurs ont utilisé la microscopie cryoélectronique pour élucider pour la première fois la structure et la fonction d'une très petite enzyme intégrée dans les membranes cellulaires. Cette enzyme construit des arbres à sucre complexes qui sont ensuite attachés à d'autres protéines membranaires. Les résultats pourraient accélérer le développement de nouveaux médicaments à base de protéines.

De nombreuses protéines membranaires des cellules eucaryotes sont décorées d'arbres à sucre complexes appelés glycanes. En plus d'être extrêmement divers, ces arbres à sucre servent à identifier l'organisme respectif, un type de cellule ou son stade de maturité. Par exemple, les différents groupes sanguins chez l'homme présentent différents glycanes.

Les sucres complexes qui sont attachés aux lipides forment une classe spéciale de glycanes. En biologie, ceux-ci sont appelés oligosaccharides liés aux lipides, ou LLO. Les LLO sont constitués d'une molécule de graisse intégrée dans la membrane cellulaire et d'une structure de sucre qui s'étend soit dans la lumière des organites cellulaires, soit extracellulaire.

Des chercheurs de l'ETH Zurich, de l'Université de Berne et de l'Université de Chicago ont maintenant élucidé la structure de l'une des enzymes responsables de la formation des LLO. Leur étude vient d'être publiée dans le dernier numéro de la revue La nature.

Architecture modulaire de protéines

L'enzyme en question, connue sous le nom d'ALG6, appartient à une superfamille d'enzymes que les chercheurs appellent des glycosyltransférases de la catégorie C.Incrustées dans les membranes cellulaires, celles-ci relient de simples molécules de sucre à d'autres sucres afin de construire des arbres à sucre. Ils relient également les molécules de sucre aux protéines. À ce titre, les glycosyltransférases jouent plusieurs rôles biologiques clés dans toutes sortes d'organismes, allant des bactéries et des champignons aux mammifères hautement développés.

Cette superfamille enzymatique était un mystère de longue date pour les biologistes car ses membres individuels ne partagent pratiquement aucun motif structurel. La seule chose qu'ils ont en commun, c'est que ce sont des protéines membranaires qui transfèrent les sucres d'une molécule à l'autre, et que les sucres utilisés pour ce transfert sont toujours attachés aux lipides.

Sur la base de la structure d'ALG6, le groupe dirigé par le professeur ETH Kaspar Locher a maintenant découvert que les membres de cette famille d'enzymes ont une conception modulaire. Leurs recherches indiquent que l'ALG6 et ses apparentés sont constitués de deux modules: un dont la structure est préservée au cours du développement et un deuxième module structurellement variable.

Nous pensons que c'est cette conception modulaire qui a aidé ces enzymes à évoluer dans différentes directions et, à leur tour, à s'adapter à une grande variété de substrats différents. « 

Joël Bloch, doctorant ETH et auteur principal de l'étude

Les résultats expliquent enfin le mécanisme derrière la famille des enzymes. « Notre étude a des implications de grande portée pour la biologie cellulaire et pour la production de substances thérapeutiques basées sur la glycobiologie », explique Bloch. Ces informations seront particulièrement précieuses pour l'ingénierie des anticorps, qui présente actuellement un grand intérêt pour l'industrie pharmaceutique. Ils bénéficieront également à la production de glycanes personnalisés en général, qui sont importants pour les protéines thérapeutiques telles que les anticorps.

Un record en microscopie cryoélectronique

Les chercheurs voient également leurs résultats comme une percée dans la détermination des structures moléculaires des protéines à l'aide de la microscopie cryoélectronique (cryo-EM). En 2017, le chercheur suisse Jacques Dubochet a reçu le prix Nobel de chimie pour sa contribution à cette technologie révolutionnaire, devenue depuis la méthode de choix pour l'élucidation structurelle de grands complexes moléculaires.

La détermination des structures de petites protéines à haute résolution, en particulier celles intégrées dans les membranes, n'avait pas été possible à l'aide de cryo-EM car les mesures prises de particules en dessous d'une certaine masse ne permettent pas des calculs structurels précis.

En collaboration avec un groupe de recherche de l'Université de Chicago, l'équipe ETH a maintenant trouvé une solution à ce problème. En collaboration avec les chercheurs de Chicago, ils ont produit un anticorps synthétique qui se lie à ALG6. Cet anticorps a augmenté la masse de l'enzyme ALG6 de telle sorte que sa structure puisse être déterminée en haute résolution en utilisant cryo-EM.

« Avec notre approche, nous détenons actuellement le record du monde pour la résolution structurelle la plus élevée obtenue pour un complexe lié à une membrane de cette taille », déclare Locher avec fierté. Il explique que ces avancées avec la cryo-EM permettront à de nombreux autres scientifiques d'élucider les structures des petites protéines membranaires: « Notre approche ouvre la voie à la communauté scientifique pour progresser rapidement dans l'étude des protéines membranaires associées à un large éventail de maladies . « 

Une boîte à outils chimio-enzymatique

Comme si cela ne suffisait pas, les chercheurs de l'ETH, en collaboration avec des chimistes de l'Université de Berne, ont maintenant développé des méthodes de synthèse d'oligosaccharides liés aux lipides très complexes en laboratoire – ce qui n'avait pas été possible avec les méthodes de synthèse conventionnelles en chimie organique .

En conséquence, les chercheurs ont maintenant acquis de nouvelles connaissances sur la voie cellulaire essentielle de la biosynthèse LLO, les aidant à expliquer comment les cellules construisent des glycanes complexes. « Cela marque une étape importante dans la glycobiologie qui pourrait former la base pour de futures recherches de nombreux glycobiologistes et pour la production de glycoprotéines », dit Locher.