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Misfolding (mauvais repliement)-Désordre : Comment le paradigme « une séquence-une structure » est mis sur la sellette.

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1 Misfolding (mauvais repliement)-Désordre : Comment le paradigme « une séquence-une structure » est mis sur la sellette

2 Désordre

3 En 1894 Fisher propose le mécanisme de la clé-serrure : un enzyme et un glucoside doivent être complémentaires comme une clé et une serrure afin davoir un effet chimique lun sur lautre. En 1936 Mirsky et Pauling travaillent sur la dénaturation: Lactivité de la pepsine est en relation avec son taux de dénaturation De nombreuses protéines natives forment des cristaux caractéristiques alors que les protéines dénaturées ne cristallisent pas Les propriétés spécifiques caractéristiques des protéines natives sont dues à leur configuration définie et unique. Une protéine dénaturée est caractérisée par labsence dune configuration définie et unique Naissance du paradigme structure-fonction: la séquence primaire dune protéine contient les informations qui conduisent à sa structure 3D, et celle-ci permet lactivité biologique de la protéine Historique Paradigme structure - fonction En 1961, Anfinsen démontra que la ribonucléase pouvait revenir à sa conformation initiale après dénaturation tout en préservant son activité enzymatique. Ce fait suggère que toutes les informations nécessaires à une protéine pour obtenir sa conformation finale est encodée dans sa structure primaire.1961 dénaturation

4 Les années suivantes: les expériences sur la dénaturation continuent sur dautres protéines et renforcent lidée selon laquelle la fonction dépend de la structure. Mais en 1952 premier doute: Edsall Est-il raisonnable despérer que la variété sans fin de protéines que lon trouve dans la nature, leurs interactions les unes avec les autres ainsi quavec dautres molécules dune diversité et dune spécificité extraordinaires, soient explicables à partir de quelques motifs relativement rigides, simplement en variant la nature et la séquence des chaînes latérales attachées à un motif répétitif fondamental? Ce doute est rapidement enterré par la résolution des structures 3D de la myoglobine, du lysosyme et par lavalanche des structures qui ont suivi… Mais la résistance sorganise et continue à travailler… Historique Paradigme structure - fonction

5 En 1950 Karush étudie lalbumine et montre quelle a une capacité quasi universelle à se lier à de petites molécules anioniques hydrophobes. Sinspirant de la théorie de la clé-serrure, il en conclut que son site actif est capable dadopter un grand nombre de configurations dénergies similaires et qui sont en équilibre. Lors de linteraction avec un anion hydrophobe donné, la meilleure configuration de site actif est sélectionnée à partir de lensemble de structures concept de ladaptabilité conformationnelle A la même époque, Koshland est sur la même piste mais donne un autre nom à ladaptabilité conformationnelle: linduced fit Cest la première fois quon suggère quun changement conformationnel serait responsable de la fonction dune protéine. On ne se pose pas encore la question de savoir si le processus de liaison induit une nouvelle conformation ou si il sagit dune sélection entre un ensemble de structures en équilibre Il faut attendre 1978 pour quun mouvement de domaine lors de la liaison soit suggéré (association glucose-hexokinase: on arrive à cristalliser lensemble mais pas lenzyme seule). Depuis, ce mouvement à été mesuré par diffraction RX. Première mise en doute sérieuse de luniversalité du paradigme structure-fonction Historique Paradigme structure - fonction

6 Dès lors, on accorde plus dattention aux résultats des diffractions RX (surtout labsence de résultat…). En effet, il existe dans les structures résolues, des segments protéiques qui nont pas de densité électronique (RX) alors quils sont essentiels à la fonction de la protéine. Origines possibles: - défauts dans le cristal - digestion protéolytique accidentelle lors de la purification de la protéine - problème de détermination de phase - latome, la chaîne lat., le résidu, la région ne diffracte pas les RX de manière cohérente à cause dune variation de position dune protéine du cristal à lautre Indique une région désordonnée En 1978, la RMN révèle la queue hydrophobe fonctionnelle de lhistone H5 est désordonnée, ce qui confirme quun segment protéique nayant pas de densité électronique en RX peut être désordonné et fonctionnel. Historique Paradigme structure - fonction

7 Définitions Modèle du folding 2 états: Une protéine existe soit à létat foldé, soit à létat random coil État natif ou ordonnéÉtat dénaturé ou désordonné Fonction biologique Lactivité biologique diminue ou nexiste plus Paradigme structure - fonction

8 Modèle avec intermédiaires partiellement foldés: Etat foldéEtat partiellement foldéEtat random coil État ordonné ou natifÉtat désordonné Molten globule + compact que random coil chaînes latérales proches du random coil mais backbone proche état ordonné Analogue à létat liquide mais le globule fondu (molten globule) peut avoir plusieurs structures Analogue à létat solide Analogue à létat gazeux Définitions Paradigme structure - fonction

9 Structure 3D nativeFonction biologique Dunker et al. (2001) Modèle de la Trinité Protéique Etat ordonné Etat random coilEtat molten globule fonction Une fonction particulière peut dépendre dun des 3 états ou dune transition entre 2 dentre eux Paradigme structure – fonction revisité

10 Séquence AA Folding Structure 3D Fonction: clé-serrure Ordre désordre Pénétration agents viraux/pathogènes Insertion membranaire Non folding Ensemble flexible exposition de sites Voies de régulation, réplication virale reconnaissance moléculaire Désordre ordre Rôles des transitions entre états découvertes jusquà présent Interaction prot/ligand

11 Exp: spectre RMN Exp: dichroïsme circulaire (CD) unfolded folded

12 TAT (virus HIV) NTail (virus de la rubéole)

13 Prédiction des domaines désordonnés Plusieurs serveurs qui prédisent le désordre: 3 exemples DISPROT DISPROT (Dunker): DisEMBL DisEMBL : MEDOR MEDOR: consensus

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16 VL2 : linéaire ; VL3 : réseaux neuronaux VL3 : différentes banques de données : VL3H : basée sur des homologues de protéines désordonnées (utlisation de Blast pour trouver les homologues) VL3E : basée sur des profils de séquences recherchés avec Psi-Blast Utilisation de VL3 est meilleure que VL2 Performance de la méthode : %. La méthode marche mieux pour la prédiction des domaines ordonnés (85 %) que pour les segments désordonnés (75- 80%). Ceci sexplique par le fait que le désordre dune protéine peut être défini de différentes manières, tandis que lordre est plus facilement définissable de manière non univoque. Le désordre est mieux prédit lorsque les domaines ont une longueur supérieure à 30 résidus. Le taux de fiabilité diminue si domaine désordonné < 30 aa (taux derreur augmente sur petits domaines) Fenêtre : VL2 est optimisé pour une fenêtre de 41 VL3 fonctionne mieux avec une fenêtre de 41 ou 61

17 disEMBL

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19 disEMBL se base sur 3 « predictors » pour entraîner le réseau neuronal: les régions non structurées (ou définies comme coils dans la base de données DSSP qui contient les structures secondaires des protéines de la banque PBD) « hot loops » : les boucles ayant un facteur B (ou facteur de température) important, càd ayant une grande mobilité Les coordonnées manquantes dans les fichiers PDB (REMARK465 dans les fichiers PDB) Cet algorithme prédit également les domaines peu complexes (low complexity regions) TANGO: prédit les domaines ayant une propension à sagréger (voir ci après)

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21 Protéines amyloïdes, protéines transconformationnelles

22 Protéines amyloïdes= protéines ayant un comportement aberrant Protéines « normales » qui à un moment donné sagrègent

23 Les protéines amyloïdogéniques subissent une transconformation Mauvais repliement et agrégation Maladie de Parkinson Séquestration de la mélanine Incompatibilité végétative Maladie dAlzheimer Fibrillation in vitro

24 Les protéines amyloïdogéniques Définition : les fibrilles amyloïdes présentent : -une apparence caractéristique en microscopie électronique, -une affinité pour le rouge Congo avec une biréfringence verte, -et un spectre de diffraction aux rayons X typique

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26 DiseaseProtein Featured Alzheimer's diseaseBeta amyloid [6][7][8] Type 2 diabetes mellitusIAPP (Amylin) [9][10] Parkinson's diseaseAlpha-synuclein [7] Transmissible spongiform encephalopathyTransmissible spongiform encephalopathy e.g. Bovine Spongiform EncephalopathyBovine Spongiform Encephalopathy Prion [11] Huntington's DiseaseHuntingtin [12][13] Medullary carcinoma of the thyroidCalcitonin [14] Cardiac arrhythmiasAtrial natriuretic factor AtherosclerosisApolipoprotein AI Rheumatoid arthritisSerum amyloid A Aortic medial amyloidMedin ProlactinomasProlactin Familial amyloid polyneuropathyTransthyretin Hereditary non-neuropathic systemic amyloidosisLysozyme Dialysis related amyloidosisBeta 2 microglobulin Finnish amyloidosisGelsolin Lattice corneal dystrophyKeratoepithelin Cerebral amyloid angiopathyBeta amyloid [15] Cerebral amyloid angiopathy (Icelandic type)Cystatin systemic AL amyloidosisImmunoglobulin light chain AL [16] [16] Sporadic Inclusion Body MyositisInclusion Body MyositisS-IBM pheochromocytoma Osteomyelitis Multiple myeloma

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29 Non-disease and functional amyloids Native amyloids in organisms Curli E. coli Protein (curlin)E. coli Chaplins from Streptomyces coelicolor Podospora Anserina Prion Het-s Malarial coat proteinMalarial Spider silk (some but not all spiders)Spider silk Mammalian melanosomes (pMel)melanosomes Tissue-type plasminogen activator (tPA), a hemodynamic factor Proteins and peptides engineered to make amyloid Several yeast prions are based on an infectious amyloid,yeast prions eg. [PSI+] (Sup35p); [URE3] (Ure2p); [PIN+] (Rnq1p);Sup35p [SWI1+] (Swi1p) and [OCT8+] (Cyc8p)

30 Hélice β parallèle Structure β super-plissée Echange de domaines Les protéines amyloïdogéniques Structure des fibrilles amyloïdes Structure quaternaire en cross résistante aux protéases

31 Les protéines amyloïdogéniques Toxicité associée aux structures amyloïdes Fibrilles amyloïdesIntermédiaires oligomériques Intermédiaires amyloïdogéniques Mauvais repliement ou dénaturation Evènements pathogéniques Dyshoméostasie du calcium Espèces oxygénées réactives … Dysfonction et mort cellulaire Pores amyloïdes

32 Prediction de domaines ayant une propension à sagréger TANGO (disEMBL): Basé sur les principes physico- chim de la formation de feuillet et lhypothèse que les brins béta qui sagrègent sont totalement enfouis au sein de la structure (solvatation) Tient compte des charges et des conditions exp (t°, solvant)


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