Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont déterminé la structure au niveau atomique d’une protéine transporteuse de zinc, une machine moléculaire qui régule les niveaux de cet oligo-élément crucial à l’intérieur des cellules. Comme décrit dans un article qui vient d’être publié dans Nature Communications, la structure révèle comment la protéine de la membrane cellulaire change de forme pour déplacer le zinc de l’environnement vers une cellule, et bloque temporairement cette action automatiquement lorsque les niveaux de zinc à l’intérieur de la cellule deviennent trop élevés.
« Le zinc est important pour de nombreuses activités biologiques, mais trop peut être un problème », a déclaré Qun Liu, le biophysicien du Brookhaven Lab qui a dirigé le projet. « Au cours de l’évolution, différents organismes ont évolué de nombreuses façons pour réguler le zinc. Mais personne n’a montré qu’un transporteur qui contrôle l’absorption de zinc de l’environnement peut réguler sa propre activité. Notre étude est la première à montrer un transporteur de zinc avec une telle un capteur intégré. »
La recherche a été menée dans le cadre de la Quantitative Plant Sciences Initiative (QPSI) de Brookhaven Lab. En utilisant une version bactérienne d’un transporteur de zinc qui partage des caractéristiques essentielles avec les transporteurs de zinc dans les plantes, les scientifiques ont obtenu des informations clés sur le fonctionnement de ces protéines.
« Cette recherche fait partie de nos efforts pour comprendre comment les micronutriments comme le zinc sont absorbés par les plantes afin que nous puissions comprendre comment concevoir des plantes plus aptes à pousser sur des terres marginales pour la production de bioénergie », a déclaré John, président du département de biologie du laboratoire Brookhaven. Shanklin, co-auteur de l’article.
La recherche pourrait également suggérer des moyens de concevoir des cultures vivrières avec une teneur accrue en zinc pour améliorer leur valeur nutritionnelle, ont noté les scientifiques.
Cryo-EM plus calcul
Pour résoudre la structure des protéines, l’équipe de Brookhaven a utilisé la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) au Laboratoire de structure biomoléculaire (LBMS). Avec cette technique, les scientifiques peuvent échantillonner de nombreuses conformations différentes d’une protéine au lieu d’une seule forme cristallisée. C’est important car, dans la nature, les protéines sont dynamiques et non statiques. des morceaux d’entre eux se déplacent.
Cryo-EM ne nécessite pas de protéines pour former des cristaux, nous pouvons donc réellement capturer des étapes dynamiques qui peuvent ne pas être réalisables en utilisant la cristallographie aux rayons X, une autre technique pour étudier les structures des protéines. Essentiellement, avec la cryo-EM, nous pouvons capturer plus d’images du « film » pour obtenir une structure très utile pour comprendre la fonction biologique d’une protéine. »
Qun Liu, biophysicien, laboratoire de Brookhaven
Pour trier les nombreuses variations de structure, les scientifiques ont besoin d’outils de calcul puissants. Il s’agit notamment d’approches d’intelligence artificielle qui utilisent l’apprentissage automatique, dont certaines ont été développées par Liu. À l’aide de ces algorithmes, les scientifiques peuvent sélectionner et trier de manière semi-automatique des millions d’images cryo-EM pour trouver des groupes de structures présentant des similitudes. La méthode leur permet d’atteindre la résolution la plus élevée possible, et ainsi de révéler des détails à l’échelle atomique de la structure.
Pour cette étude, cette approche cryo-EM a révélé les principales caractéristiques d’une étape d’un transporteur de zinc ZIP (Zrt-/Irt-like protein) qui révèle comment il régule sa propre activité d’absorption de zinc en fonction de la quantité de zinc déjà présente dans la cellule .
« Nos nouvelles données nous ont fait réviser les points de vue précédents sur le fonctionnement de cette protéine », a déclaré Liu.
Inclinez pour entrer, sens pour arrêter
Un rapport antérieur basé sur la cristallographie aux rayons X et des analyses coévolutionnelles a suggéré que le transporteur pourrait fonctionner comme une sorte d ‘«ascenseur» pour transporter le zinc. La nouvelle recherche montre comment les interactions avec le zinc de chaque côté de la membrane cellulaire déclenchent le mouvement de parties de la protéine pour amener le zinc dans la cellule et, surtout, bloquent son entrée lorsque les niveaux à l’intérieur deviennent trop élevés.
« Notre structure clé montre que lorsque le niveau de zinc à l’intérieur de la cellule atteint un certain niveau, au-delà de ce qui est nécessaire pour répondre aux exigences de la cellule, l’excès de zinc se lie à une boucle à l’intérieur de la membrane », a déclaré Liu. « Puis, au fur et à mesure que cette boucle flexible se réoriente, elle se replie sur elle-même et se lie d’une manière qui empêche le zinc d’entrer dans la cellule. »
« C’est presque comme si le bouchon allait dans un drain de baignoire et le bloquait », a ajouté Shanklin.
Les scientifiques ont également découvert comment d’autres parties de la protéine se déplacent pour permettre au zinc d’entrer.
Lorsque les niveaux de zinc à l’intérieur de la cellule sont faibles, le zinc tombe de la partie en boucle et le bouchon ressort du transporteur. Le zinc de l’environnement peut se déplacer dans le transporteur. À l’intérieur du transporteur, le zinc fait monter et s’incliner une partie de la machine à protéines, fermant la sortie vers l’environnement extérieur. Une fois que le zinc entre dans la cellule, la machine se réinitialise pour fonctionner à nouveau.
« Notre structure cryo-EM est la première à montrer comment ce domaine de boucle de la protéine module l’activité du transporteur par rétroaction en fonction du niveau de zinc », a déclaré Liu.
C’est aussi la première structure à montrer que ce transporteur de zinc est un arrangement de deux protéines identiques – connu sous le nom de dimère. « Il faut deux molécules pour faire le travail », a déclaré Liu.
Les scientifiques pensent que le fait d’avoir deux molécules agissant sous la forme d’un dimère peut être lié à sa fonction ou à sa stabilité, qu’ils exploreront avec de futures simulations informatiques sur la façon dont les molécules fonctionnent ensemble.
« Cette recherche pourrait permettre de nouvelles façons de concevoir des transporteurs de zinc dans les microbes et les plantes pour optimiser leur croissance dans des conditions où le zinc est trop faible ou trop élevé, potentiellement sur des terres marginales pour la production de bioénergie et de bioproduits », a déclaré Liu.
Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du DOE, Bureau de la recherche biologique et environnementale (BER) via QPSI, avec l’expression, la purification et la préparation des échantillons de protéines soutenues par le Bureau des sciences énergétiques fondamentales (BES). Les opérations LBMS sont prises en charge par BER.
