Projet ANR-10-JCJC-1505 – ProteinDisorder : Base structurale de la reconnaissance moléculaire dans les protéines intrinsèquement désordonnés
Programme : JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (JCJC SVSE 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Malene Ringkjobing JENSEN (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique
Montant : 259938.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Réexaminer le paradigme structure-fonction des protéinesCaractérisation des protéines désordonnées et des transitions structurales associées à la formation de complexes par résonance magnétique nucléaire
Est-il possible de relier la séquence primaire à la fonction biologique de la protéine?L’inexorable entrelacement liant structure et fonction d’une protéine, a motivé un investissement colossal dans les projets de génomique structurale, reposant sur l’hypothèse que la résolution de la structure tridimensionnelle d’une protéine permet d’en déduire la fonction moléculaire. Cependant, au cours de la dernière décennie, il est devenu de plus en plus clair qu'une fraction importante (jusqu'à 40%) des protéines codées par le génome humain sont intrinsèquement désordonnées ou contiennent des régions désordonnées de longueur importante (> 50 acide aminée). Ces protéines intrinsèquement désordonnées (PIDs) sont fonctionnelles en dépit d'une absence de structure stable et le paradigme structure-fonction classique ne peut donc plus leur être appliqué. Il devient alors essentiel d’élaborer une méthodologie entièrement renouvelée pour comprendre la relation entre la séquence primaire d’une PID et sa fonction. Ce projet de recherche vise à améliorer notre compréhension du comportement conformationnel, de la structure et de la dynamique des PIDs et en particulier leurs interactions avec les partenaires physiologiques. Nous avons identifié quelques questions clefs actuellement sans réponse concernent les mécanismes permettant aux PIDs d’être reconnues par leurs partenaires protéiques, les transitions entre états dépliés et repliés, et la présence et l’importance d’éléments de structure transitoires. Une meilleure compréhension de la structure et de la dynamique des PIDs permettra non seulement d'améliorer notre compréhension des aspects fondamentaux de la biologie moléculaire, mais pourrait conduire à la découverte de médicaments plus efficaces ciblant les interactions protéine-protéine impliquant des PIDs.
Etudes des protéines désordonnées en combinant la résonance magnétique nucléaire et  description par ensemble de structures.En raison de leur flexibilité inhérente, la résonance magnétique nucléaire (RMN) est la méthode de choix pour étudier les protéines intrinsèquement désordonnées. Nous utilisons les données de RMN combinées avec une description par ensemble de structures pour capturer à la fois les propriétés conformationelles et la dynamique des protéines et en particulier les transitions structurelles associées à la formation de complexes biologiques.
Résumé de la soumission : L’inexorable entrelacement liant structure et fonction d’une protéine, a motivé un investissement colossal dans les projets de génomique structurale, reposant sur l’hypothèse que la résolution de la structure tridimensionnelle d’une protéine permet d’en déduire la fonction moléculaire. Cependant, au cours de la dernière décennie, il est devenu de plus en plus clair qu'une fraction importante (jusqu'à 40%) des protéines codées par le génome humain sont intrinsèquement désordonnées ou contiennent des régions désordonnées de longueur importante (> 50 aa). Ces protéines intrinsèquement désordonnées (PIDs) sont fonctionnelles en dépit d'une absence de structure stable et le paradigme structure-fonction classique ne peut donc plus leur être appliqué. Il devient alors essentiel d’élaborer une méthodologie entièrement renouvelée pour comprendre la relation entre la séquence primaire d’une PID et sa fonction. Les transitions ordre-désordre accompagnant les interactions de PIDs avec leurs partenaires physiologiques, et les transitions entre formes solubles, saines, et formes agrégées, pathologiques, de certaines de ces protéines constituent des exemples particulièrement intrigants dont les origines moléculaires reste peu ou pas comprise en terme de biophysique structurale. Le fait que les PIDs soient fréquemment associées à des maladies humaines, y compris le cancer, les maladies cardiovasculaires, l'amylose, les maladies neurodégénératives et le diabète, ne fait que renforcer l’importance de ces questions.Ce projet de recherche vise à améliorer notre compréhension du comportement conformationnel, de la structure et de la dynamique des PIDs et en particulier leurs interactions avec les partenaires physiologiques. Nous avons identifié quelques questions clefs actuellement sans réponse concernent les mécanismes permettant aux PIDs d’être reconnues par leurs partenaires protéiques, les transitions entre états dépliés et repliés, et la présence et l’importance d’éléments de structure transitoires. Nous allons étudier des systèmes modèles ayant ces comportements afin de mieux comprendre cette relation, par exemple des PIDs qui peuvent se replier en différentes conformations suivant la protéine partenaire ou qui peuvent contenir plusieurs éléments de reconnaissance moléculaire (motifs linéaires).Afin de mener à bien ces études, nous allons développer une représentation de l’état désordonné par ensembles moléculaires, basée sur de nouveaux outils d’analyse permettant l’utilisation conjointe d’importants jeux de données expérimentales issus tant de la résonance magnétique nucléaire (RMN) que de la diffusion aux petits angles. Cette approche sera à la base de nos investigations pour obtenir l’information fondamentale nécessaire à la compréhension des fondements structuraux et dynamiques de la reconnaissance moléculaire pour les PIDs. Ces approches seront aussi utilisées pour étudier le comportement de la protéine Tau, une PID soluble dont la transition conformationelle accompagne le développement de la maladie d’Alzheimer.Une autre question fondamentale liée à l’étude des systèmes intrinsèquement désordonnés concerne la vraie nature des PIDs dans l’environnement fonctionnel de la protéine. Afin d’étudier cette question, nous allons étudier le comportement conformationnel des PIDs dans des conditions aussi proches que possible de celles trouvées in vivo. Par exemple, nous étudierons les PIDs dans le contexte des grands assemblages moléculaires ou au sein de cellules intactes. Afin d’améliorer notre capacité à étudier des domaines intrinsèquement désordonnés nous allons aussi appliquer une méthode de criblage haut débit pour les protéines solubles, qui combinée à la RMN permettra d’identifier de nouvelles régions intrinsèquement désordonnées dans les grands assemblages moléculaires.
Résultats : Une description précise du désordre conformationnel des protéines nécessite une cartographie du paysage d'énergétique. Nous avons développé une méthode basée sur la sélection des ensembles de structures des protéines intrinsèquement désordonnées en utilisant des données de résonance magnétique nucléaire comme les déplacements chimiques et les couplages dipolaires résiduels. Cette méthode offre une description des propriétés conformationelles à l'échelle atomique. Nous avons appliqué cette approche à l'étude du domaine C-terminal, NTAIL, de la nucléoprotéine du virus de la rougeole, acteur clé dans la transcription et la réplication du virus. Nous avons caractérisé le domaine NTAIL isolé et sa transition conformationnelle lors de la liaison avec son partenaire physiologique. Notamment, nous avons obtenu le première modèle à résolution atomique du domaine NTAIL dans le contexte des nucléocapsides intacts qui sont de grands assemblages macromoléculaires (des dizaines de méga daltons) constitués de plusieurs copies de la nucléoprotéine enroulé autour de l'ARN viral dans une structure hélicoïdale. Le modèle proposé fournit un cadre structurel pour comprendre le rôle de NTAIL dans l'initiation de la transcription et de la réplication virale.
Perspectives : Les approches développées dans ce projet sont novatrices et proposent les fondamentaux nécessaires aux études futures d'un plus grand nombre de protéines désordonnées. Le lien étroit entre la présence de protéines intrinsèquement désordonnées et les maladies humaines souligne l'importance de ces développements. A titre d'exemple, les protéines désordonnées sont notamment impliques dans les mécanismes moléculaires des maladies d'Alzheimer, de Parkinson et du cancer. Plus nous en saurons à propos du fonctionnement des protéines intrinsèquement désordonnées à l’échelle moléculaire, plus nous aurons d’outils pour développer des médicaments efficaces ciblant cette classe de protéines.
Publications et brevets : Le projet « ProteinDisorder » a donné lieu à six publications dans des journaux à comité de lecture. Nous avons développé une méthode basée sur la sélection des ensembles de structures des protéines intrinsèquement désordonnées en utilisant les déplacements chimiques et les couplages dipolaires résiduels. (Ozenne et al, J. Am. Chem. Soc. 2012). Nous avons appliqué cette approche au domaine C-terminal du virus de la rougeole (Jensen et al, Proc. Natl. Acad. Sci. 2011), la phosphoprotéine du virus de la stomatite vésiculaire (Leyrat et al, J. Mol. Biol. 2012), et aux états dépliés de lysozyme (Sziegat et al, Biochemistry 2012) et ubiquitin (Huang et al, J. Am. Chem. Soc. 2012).