Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS).  La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction.  La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué.  Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation. Lipid-extracting peptides and proteins (LEPs) bind to lipid membranes, extract lipids in the form of smaller auto-assemblies, and ultimately fragment membranes. In nature, this lipid extraction occurs in many different cell systems and causes various consequences, such as a modification of the membrane lipid composition or the cell death. This thesis focuses on the lipid extraction, or fragmentation, induced by the peptide melittin and the protein Binder-of-SPerm 1 (BSP1) on model lipid membranes. To this end, liposomes of different composition are prepared and incubated with melittin or BSP1. The association to membranes is determined by the LEPs intrinsic fluorescence, while the extraction is characterized by a combination of colorimetric phosphorus assays and liquid chromatography-mass spectrometry analyses (LCMS).  Melittin is a cationic antimicrobial peptide, a very common category of LEP found in living organisms. Cationic antimicrobial peptides are interesting to medicine because they directly target membrane lipids. The action of many of these peptides is described by the carpet-like mechanism, by which they adsorb to membrane surface, induce the formation of pores and then cause the fragmentation of the membranes. In this thesis, melittin is used as a model peptide in order to study the mechanism by which cationic antimicrobial peptides fragment lipid membranes. Results show that the phosphocholine (PC) membrane fragmentation is reduced by a gradual demethylation of the ammonium group. Analysis of the fragmented material reveals that PC are preferentially extracted from membranes, due to a local enrichment in PC near melittin in the membrane. Furthermore, a melittin analogue, for which a majority of its cationic residues were neutralized, is used to investigate the role of the cationic character of native melittin. The neutralization increases the peptide affinity for neutral and anionic membranes, reduces fragmentation of neutral membranes and increases fragmentation of anionic membranes. Despite electrostatic interactions between the cationic peptide and the anionic lipids, no lipid specificity is observed in the extraction.  BSP1 is the most abundant protein of the bovine seminal plasma and constitutes another example of important LEP found in nature. Upon ejaculation, it mixes with spermatozoa and extracts membrane lipids, such as cholesterol and phosphatidylcholines. This crucial process modulates the lipid composition of sperm membranes, which would then facilitate egg fertilization. However, a prolonged contact between the protein and spermatozoa could damage the semen. This thesis is looking to deepen our understanding of this delicate phenomenon by studying the molecular mechanism by which this protein fragments lipid membranes. Results of the present work suggest a 3-step mechanism for the extraction: 1) Association to membrane interface; 2) Relocation towards the lipid core; 3) Fragmentation of membranes. BSP1 binds directly to two interfacial PC; a sufficient quantity of PC in membranes is necessary for protein association and fragmentation. This specific binding generally does not lead to specificity in the lipid extraction. The impact of unsaturation of the lipid chains, of the presence of lysophosphatidylcholines, of phosphatidylethanolamines, of cholesterol and of anionic lipids is also studied. The present observations underline the complex relationship between a LEP affinity for membranes and the level of fragmentation it induces. The importance of LEP relocation, from the interface to the hydrophobic core of the membranes, for fragmentation is reiterated. This fragmentation seems to be lipid specific only when a phase separation of the lipids occurs in the membrane, notwithstanding specific LEP-lipid interactions. The prevalence of amphipathic structures in certain LEPs, as well as of the auto-assembled discoidal structures resulting from fragmentation is discussed. Finally, the role of electrostatic interactions between cationic antimicrobial peptides and anionic bacterial membranes is detailed: charged residues lower peptide association to neutral membrane due to an increase of their free energy of solvation.

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