image: PSI biochemist Volodymyr Korkhov (right) and Chao Qi, first author of the study, preparing a sample for cryo-electron microscopy. view more
Credit: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic
Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont élucidé un composant important d'une voie de signalisation qui transmet des informations à travers la membrane cellulaire vers l'intérieur de la cellule. Elle joue un rôle important chez tous les mammifères, car elle est impliquée dans différents processus vitaux essentiels comme la régulation du rythme cardiaque. Trois protéines qui transmettent les informations à l'intérieur de la cellule sont impliquées dans cette voie de signalisation. Volodymyr Korkhov, biochimiste au PSI, et son équipe ont réussi à réaliser un instantané de la troisième protéine appelée adénylate cyclase et à déterminer sa structure avec une résolution proche de la résolution atomique. En déterminant la structure de ce composant, les chercheurs ont découvert comment il s'autorégule. Ils publient à présent leurs résultats dans la revue Science.
L'intérieur de toute cellule vivante est séparé de l'environnement extérieur par une membrane. Ces membranes gardent les cellules intactes et les protègent des influences négatives. Mais elles constituent aussi une barrière pour certaines substances vitales et certaines informations. Pour cette raison, les membranes cellulaires abritent des mécanismes qui autorisent un accès ciblé aux substances désirées et transmettent à l'intérieur de la cellule certaines informations provenant de signaux externes.
Il existe chez les mammifères une importante voie de signalisation constituée de trois composants: le premier est un récepteur, qui reconnaît le signal et est ainsi activé. Le deuxième est ce qu'on appelle une protéine G qui se lie au récepteur activé et transmet le signal à une ou plusieurs protéines effectrices (effecteurs). Dans ce cas, l'effecteur est l'adénylate cyclase, troisième composant de ce mécanisme de transduction du signal. Cette protéine est activée par une sous-unité de la protéine G et produit par une réaction biochimique un messager secondaire (ou second messager) appelé AMP cyclique (AMPc).
L'AMPc déclenche différentes réactions à l'intérieur de la cellule; il augmente par exemple la perméabilité de la membrane au calcium dans les cellules du cur, ce qui élève le rythme cardiaque.
Grâce à la microscopie électronique, les chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI à Villigen viennent d'obtenir une image d'une forme particulière d'adénylate cyclase, la plus détaillée à ce jour de ce type de protéines membranaires.
Auto-inhibition utile
«Si l'on veut comprendre comment fonctionnent les voies de signalisation dans la cellule, il est d'abord nécessaire de savoir à quoi ressemblent en détail les composants impliqués, explique Volodymyr Korkhov, responsable du groupe de recherche Mécanismes de la transduction du signal à la division de recherche Biologie et Chimie au PSI et professeur assistant à l'Institut de biochimie de l'ETH Zurich. Notre travail constitue une contribution importante à l'élucidation de la fonction précise de l'adénylate cyclase dans le mécanisme de transduction du signal grâce à l'AMPc.»
Le biochimiste poursuit: «Etonnamment, en déterminant la structure de l'adénylate cyclase, qui est couplée à la sous-unité alpha de la protéine G, nous avons découvert que la protéine semble en mesure de s'auto-inhiber.» Une partie de la protéine est responsable de cette auto-inhibition. Elle bloque le site actif de l'enzyme et empêche une surproduction d'AMPc.
Ce nouvel élément de connaissance sur la structure moléculaire de l'adénylate cyclase permet de bien mieux comprendre comment les signaux externes entraînent une production contrôlée d'AMPc, cet important second messager. La concentration d'AMPc dans les cellules joue un rôle important dans l'apparition de maladies cardio-vasculaires, de certains cancers ou encore du diabète de type 2. «Nos nouvelles connaissances pourraient permettre à l'avenir d'identifier des médicaments qui inhibent ou activent l'adénylate cyclase suivant si une maladie donnée est due à une surproduction ou à un déficit d'AMPc», relève Volodymyr Korkhov.
Microscopie à basse température
Les chercheurs ont obtenu leurs résultats grâce à la cryo-microscopie électronique (cryo-ME). Cette forme de microscopie électronique en transmission utilise des températures inférieures à -150°C. L'échantillon à examiner est congelé dans l'éthane liquide, ce qui permet de conserver sa structure naturelle. Cette méthode est de plus en plus utilisée pour l'analyse de structures biologiques et s'est vu décerner le prix Nobel en 2017. «Obtenir un aperçu profond dans la structure de l'adénylate cyclase, c'est passionnant, souligne Chao Qi, doctorant au laboratoire de Volodymyr Korkhov et premier auteur de l'étude. Depuis sa découverte, la structure de cette protéine était restée difficile à saisir. Je suis heureux d'avoir eu la possibilité de l'élucider grâce à la cryo-ME pendant ma thèse de doctorat.»
La résolution obtenue par les chercheurs du PSI lors de leurs analyse atteignait 3,4 ångström. Un ångström équivaut à un dixième de millionième de millimètre. Les atomes pris isolément ont un rayons compris entre 0,3 et 3 ångström.
Les chercheurs ont à présent publié leurs résultats dans la revue scientifique Science.
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Texte: Institut Paul Scherrer/Sebastian Jutzi
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Contact
Prof. Volodymyr Korkhov
Groupe de recherche Mécanismes de la transduction du signal
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 28 42, e-mail: volodymyr.korkhov@psi.ch [anglais]
Publication originale
The structure of a membrane adenylyl cyclase bound to an activated stimulatory G protein
Chao Qi, Simona Sorrentino, Ohad Medalia, Volodymyr M. Korkhov
Science 26.04.2019
DOI: 10.1126/science.aav0778
Journal
Science