Projet ANR-12-BS07-0023 – ComplexDynamics : Rôle de la dynamique de reconnaissance dans les interactions proteine-proteine de faible affinité
Programme : Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Martin Blackledge (Institut de Biologie Structurale )
Partenaires : Institut de Biologie Structurale
Montant : 360000.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : ComplexDynamicsRôle de la dynamique de reconnaissance dans les interactions proteine-proteine de faible affinité
La Dynamique des Protéines et son role dans la FonctionUne description complète de la relation entre structure et fonction biomoléculaire nécessite une compréhension de la nature et le rôle de la dynamique conformationelle. Au cours des dernières dix années, de nouvelles méthodes ont émergées, basées sur la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui fournissent des détails sur les mouvements biomoléculaires sur les échelles du temps physiologiquement importante. Dans cette étude, nous allons étudier, pour la première fois, la nature de ces mouvements, non seulement dans les protéines isolées, mais aussi dans la présence de partenaires physiologiques différents. Nous allons nous concentrer sur un paradigme cellulaire spécifique et important, c’est à dire la caractérisation des interactions entre Ub et différents domaines d’interactions avec Ub (Ubiquitin Binding Domains - UBDs). Ub est un signal polyvalent cellulaire, qui régule une large gamme d'activités allant de la dégradation des protéines et de contrôle de la qualité, l'endocytose, régulation transcriptionnelle à la signalisation cellulaire et la membrane trafficking. Ub a un grand nombre de partenaires intracellulaires (plus de 150 ont été annotées), et tandis que les affinités des interactions impliquants mono-Ub sont très souvent faibles, les affinités s'étendent sur trois ordres de grandeur (Kd 3-2000µM). Nous allons étudier l'interaction entre Ub et une gamme de UBDs avec des affinités différentes, afin de sonder le lien possible entre la dynamique structurelle lente du complexe moléculaire et la cinétique de l'interaction.
Methodes UtiliséesPour atteindre cet objectif nous allons développer et d'étendre les techniques expérimentales, analytiques, numériques et moléculaires déjà mises en place dans le laboratoire du coordinateur pour mesurer et analyser les CDR, la relaxation de spin et de la dispersion de relaxation. Au cours de ce projet, nous allons (a) comparer, pour la première fois, la nature et l'amplitude des mouvements lents des protéines dans la présence et l'absence de partenaires fonctionnels, (b) établir s’il existe une dépendance de l'affinité de l'interaction sur le nature de la dynamique intrinsèque dans les formes libre et dans l'interaction, (c) étendre les échelles de temps sur lesquels RMN peut être utilisée pour déterminer les contributions locales à l'équilibre thermodynamique (d) plus que doubler le nombre de protéines individuelles dont la dynamique a été caractérisés en utilisant les CDRs, établissant ainsi des tendances générales concernant la nature des mouvements lents dans les familles de protéines différentes.
Résumé de la soumission : Une description complète de la relation entre structure et fonction biomoléculaire nécessite une compréhension de la nature et le rôle de la dynamique conformationelle. Au cours des dernières dix années, de nouvelles méthodes ont émergées, basées sur la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui fournissent des détails sur les mouvements biomoléculaires sur les échelles du temps physiologiquement importante. Notamment les couplages dipolaires résiduels (CDRs) apportent des informations précises sur l'ensemble de conformations échantillonnées jusqu'à la milliseconde, et donc encodent les informations clés pour comprendre l’activité biologique des protéines. Le groupe du coordinateur du projet a récemment développé deux approches très différentes pour décrire les mouvements intrinsèques des protéines de façon quantitative en utilisant les CDRs. L’application de ces techniques à l'étude des protéines ubiquitine (Ub) et GB3 a conduit à l'observation des fluctuations dynamiques survenant sur les échelles de temps allant de la nano à la milliseconde dans les sites d'interaction physiologique de ces protéines. Les mouvements lents présents dans ces sites d'interaction suggèrent que les protéines détiennent des modes spécifiques pour optimisés les interactions avec les partenaires physiologiques.Dans cette étude, nous allons étudier, pour la première fois, la nature de ces mouvements, non seulement dans les protéines isolées, mais aussi dans la présence de partenaires physiologiques différents. Nous allons nous concentrer sur un paradigme cellulaire spécifique et important, c’est à dire la caractérisation des interactions entre Ub et différents domaines d’interactions avec Ub (Ubiquitin Binding Domains - UBDs). Ub est un signal polyvalent cellulaire, qui régule une large gamme d'activités allant de la dégradation des protéines et de contrôle de la qualité, l'endocytose, régulation transcriptionnelle à la signalisation cellulaire et la membrane trafficking. Ub a un grand nombre de partenaires intracellulaires (plus de 150 ont été annotées), et tandis que les affinités des interactions impliquants mono-Ub sont très souvent faibles, les affinités s'étendent sur trois ordres de grandeur (Kd 3-2000µM). Nous allons étudier l'interaction entre Ub et une gamme de UBDs avec des affinités différentes, afin de sonder le lien possible entre la dynamique structurelle lente du complexe moléculaire et la cinétique de l'interaction.Pour atteindre cet objectif nous allons développer et d'étendre les techniques expérimentales, analytiques, numériques et moléculaires déjà mises en place dans le laboratoire du coordinateur pour mesurer et analyser les CDR, la relaxation de spin et de la dispersion de relaxation. Au cours de ce projet, nous allons (a) comparer, pour la première fois, la nature et l'amplitude des mouvements lents des protéines dans la présence et l'absence de partenaires fonctionnels, (b) établir s’il existe une dépendance de l'affinité de l'interaction sur le nature de la dynamique intrinsèque dans les formes libre et dans l'interaction, (c) étendre les échelles de temps sur lesquels RMN peut être utilisée pour déterminer les contributions locales à l'équilibre thermodynamique (d) plus que doubler le nombre de protéines individuelles dont la dynamique a été caractérisés en utilisant les CDRs, établissant ainsi des tendances générales concernant la nature des mouvements lents dans les familles de protéines différentes.En résumé, ce projet exploite pleinement la sensibilité unique de la RMN d’étudier les interactions faibles entre protéines à une résolution atomique. Les méthodes développées dans le groupe du coordonnateur au cours de la dernière décennie seront appliquées dans le cadre de ce projet afin de comparer la dynamique dans les formes libre et dans les complexes entre Ub et diverses UBDs.
Résultats : Pendant les premièrs 18 mois nous avons mésuré un jeu de données RMN extensives, incluant les couplages dipolaires résiduels et les mésures de relaxation, dans les formes libres des domaines SH3 de la protéines CD2AP. Nous avons developpé une approche entièrement nouvelle, basée sur la combinaison des données experimentales en provenance de la RMN, la dynamique moleculaire acceleré, deja appliqué au laboratoire, les méthodes de selection d'ensemble conformationelle par algorithme genetique, et une approche nouvelle de calbration de l'alignement des protéines. Cette methode est extremement puissant, et donne un apercu du paysage conformationelle haboté par la protéine.
Perspectives : La developpement des methodes pour caracteriser la dynamique conformationelle, et la modulation de cette dynamique en fonction de son environnement ou en presence des partenaires, est essential pour une comprehensice de la biologie structurale.
Nous avons dévelopé une approche nouvelle permettant de caractériser les modulations de l'échantillonnage conformationnel de protéines – à la fois les fluctuations rapides et les échanges lents entre conformations distinctes – qui régit leur fonctionnement. La dynamique moléculaire accélérée, qui fournit une description à l'échelle atomique et permet d'atteindre les temps longs, de l'ordre de la microseconde, permet de decrire l'espace conformationelle accessible par la protéine du facon très efficace, et les methodes statistiques, dirigés par les  couplages dipolaires résiduels mesurés par RMN permettent de cartographier l'espace echantillonée par la protéine. Cette espace est representé par les sous-etats en echange sur les echelles du temps jusqu'a la milliseconde. La methode est predictive des données independentes, et est applicable a une grande nombre de protéines accessible à la RMN en solution.
Ce travail était publié dans Angewandte Chimie International Edition et le Journal of the American Chemical Society.
Nous allons maintenant appliqué la meme approche pour comparer la dynamique dans les formes libres et en complexe de ces protéines, ainsi que d'autres protéines montrant de faible affinité physiologique.
Publications et brevets : Ce travail etait publié dans 4 articles, deux dans les journaux a forte facteur d'impact (Journal of the American Chemical Society et Angewandte Chemie International Edition).