La tularémie est une maladie rare mais souvent mortelle. Elle est causée par l'un des agents pathogènes les plus agressifs sur terre, la bactérie Francisella tularensis. Le microbe, transporté par une variété d'animaux et d'insectes, est capable d'entrer et d'attaquer le corps à travers une gamme de voies, entraînant différentes constellations de symptômes et degrés de gravité.
La tularémie reste mal connue et aucun vaccin sûr et efficace n'existe pour la maladie. L'extrême létalité de F. tularensis et son potentiel d'aérosolisation en ont également fait un candidat pour les armes biologiques, augmentant l'urgence de comprendre la maladie et de développer des traitements efficaces.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs du Biodesign Center for Applied Structural Discovery examinent une protéine membranaire clé responsable de la capacité prodigieuse de la bactérie à infecter le corps et à provoquer des maladies. Ce facteur de virulence, connu sous le nom de Flpp3, est examiné avec des détails sans précédent à l'aide d'un laser à électrons libres à rayons X ou XFEL, un accélérateur de rayons X massif et puissant situé au SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford.
La technologie XFEL utilise des flashs de rayons X brillants et extrêmement courts pour sonder des échantillons cristallisés de Flpp3, révélant la structure détaillée de la protéine comme jamais auparavant. En comparant les informations structurelles recueillies par les expériences XFEL avec une analyse structurelle précédente utilisant la RMN, les chercheurs ont développé un modèle plus complet de la forme élaborée de Flpp3. (Des études antérieures ont montré que lorsqu'un gène codant pour Flpp3 est désactivé, les effets du pathogène F. tularensis sont considérablement diminués.)
Les scientifiques espèrent éventuellement utiliser ces informations pour développer des médicaments ciblés capables de désactiver les propriétés de virulence de la protéine et de protéger contre la tularémie. Les progrès de la compréhension pourraient également aider les scientifiques à développer un vaccin efficace contre la maladie à l'avenir. Actuellement, seuls les vaccins vivants atténués existent pour la tularémie, et les risques d'infection et d'immunité insuffisante associés à cette approche ont empêché l'utilisation de ces vaccins aux États-Unis.
Le chercheur en conception biologique, le Dr James Zook, en collaboration avec les professeurs Petra Fromme et Abhishek Singharoy du Biodesign Center for Applied Structural Discovery, a dirigé la nouvelle étude. Il est rejoint par des collègues internationaux, notamment des chercheurs de DESY, SLAC, AstraZeneca, du Laboratoire européen de biologie moléculaire à Grenoble, en France, entre autres.
Petra Fromme, directrice du Center for Applied Structural Discovery explique l'importance des résultats:
Cette étude combine, pour la première fois, des techniques XFEL de pointe avec la RMN et la modélisation moléculaire pour démêler le grand espace conformationnel de Flpp3. L'étude dévoile différentes conformations de cette protéine importante pour la virulence de la bactérie dans la structure XFEL et RMN montrant ainsi la nature hautement dynamique de Flpp3. Cette étude est tellement excitante car elle montre que des conformations très différentes coexistent et se convertissent les unes aux autres dans des conditions physiologiques. «
Visualiser la virulence
En utilisant des données structurelles détaillées de RMN et une nouvelle analyse XFEL du facteur de virulence de la tularémie, les chercheurs ont identifié un inhibiteur potentiel de Flpp3. Ces informations ont été obtenues à partir de bibliothèques virtuelles disponibles contenant des structures de fragments de médicament. Ensuite, une méthode de modélisation basée sur la physique, connue sous le nom de dynamique moléculaire (MD), a fourni des informations détaillées sur les fluctuations et les changements conformationnels des atomes et des molécules dans la protéine liée à la virulence, aidant les chercheurs à obtenir une lecture plus précise de la structure et du comportement de Flpp3.
« Ce travail fournit plusieurs structures de résolution atomique d'un facteur de virulence important de la bactérie qui cause la tularémie », selon la chercheuse de Biodesign, Dr.Debra Hansen, co-auteur de la nouvelle étude. Les configurations de protéines identifiées aideront les chercheurs à poursuivre la conception basée sur la structure de médicaments qui pourraient être efficaces contre la maladie insaisissable, grâce au ciblage et à l'inhibition de Flpp3.
Comme l'explique le co-auteur et chercheur Biodesign, le Dr Abhishek Singharoy, l'étude est remarquable pour être parmi les premières recherches sur la flexibilité de la conformation des protéines découvertes avec la cristallographie et la RMN femtoseconde en série et confirmées à l'aide de simulations de dynamique moléculaire (MD).
Les conclusions du groupe apparaissent dans le numéro actuel du journal Cell Press Structure.
Menace persistante
La tularémie, également connue sous le nom de fièvre du lapin, est une maladie infectieuse rare qui attaque généralement les yeux, la peau, les ganglions lymphatiques et les poumons à la suite d'une infection par la bactérie F. tularensis. La maladie est endémique en Amérique du Nord ainsi que dans de nombreuses régions d'Europe et d'Asie, bien que les cas de tularémie soient peu fréquents et les épidémies généralisées ont tendance à être limitées aux régions où les conditions d'hygiène sont médiocres et inaccessibles aux soins de santé modernes.
La tularémie affecte principalement les mammifères, en particulier les rongeurs, les lapins et les lièvres, bien qu'elle infecte parfois aussi les oiseaux, les moutons et les animaux domestiques, y compris les chiens, les chats et les hamsters.
La maladie peut se propager à l'homme par les piqûres d'insectes et l'exposition directe à un animal infecté. La maladie est extrêmement contagieuse. Seulement 10 cellules bactériennes peuvent être mortelles et une seule bactérie peut être suffisante pour provoquer une infection. L'organisme peut vivre pendant des semaines dans le sol, l'eau et les animaux morts.
La tularémie peut être traitée efficacement si elle est détectée tôt, bien que le régime de traitement puisse être long et complexe. La plupart des personnes infectées par F. tularensis présentent des symptômes dans les trois à cinq jours, même si cela peut prendre jusqu'à deux semaines.
La maladie existe sous une variété de formes avec des symptômes différents, selon la manière et l'endroit où les bactéries pénètrent dans le corps. Il s'agit notamment de la tularémie ulcéroglandulaire, la forme la plus courante, qui produit des ulcères de la peau au site d'infection, des ganglions lymphatiques enflés et douloureux, de la fièvre, des frissons, des maux de tête et de l'épuisement.
Les autres formes comprennent la tularémie glandulaire, oculoglandulaire, oropharyngée, pneumonique et typhoïde. Si elle n'est pas traitée, une variété de complications graves de la maladie peuvent survenir, notamment une méningite, une inflammation des poumons, une irritation du cœur et une infection osseuse.
Méthode Crystal
Dans la présente étude, une technique connue sous le nom de cristallographie en série de femtosecondes aux rayons X est utilisée pour sonder la structure de la protéine Flpp3. Ici, de brèves et brillantes rafales de rayons X, environ un milliard de fois plus lumineuses que les rayons X conventionnels, frappent un jet de cristaux « volant » à travers le faisceau de rayons X. Le souffle intense des rayons X détruit les cristaux mais avant cela, crée un motif de diffraction sur un écran. Les impulsions de rayons X sont ultracourtes, d'une durée de seulement 40 femtosecondes, elles dépassent les dommages causés par les rayons X, ce qui permet de collecter des données à température ambiante dans des conditions quasi physiologiques. (1 fs = 10-15 secondes ou un quadrillionième de seconde.)
L'assemblage de plusieurs de ces clichés radiographiques à l'aide d'ordinateurs permet d'assembler une structure 3D détaillée de la protéine à l'étude. Cette méthode dite de diffraction avant destruction a été lancée pour la première fois par Henry Chapman au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) avec l'équipe de l'ASU sous la direction de John Spence et Petra Fromme et de leurs collaborateurs.
Les chercheurs ont combiné les nouvelles données structurales XFEL avec leurs précédentes études RMN de Flpp3, observant deux états distincts de la protéine. Les simulations MD ont révélé une structure de cavité interne qui est transitoire, suggérant que Flpp3 subit un changement de conformation subtil.
L'approche ouvre la porte au développement de médicaments ciblés visant à réduire la létalité de la tularémie et montre la puissance des technologies combinées pour révéler les détails de la structure et de la dynamique des protéines.
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