Projet de recherche P6/19 (Action de recherche P6)
Les méthodes modernes de séquençage du DNA donnent naissance à une quantité énorme de données concernant les génomes d’un nombre croissant d’organismes. En revanche, nous sommes bien loin de pouvoir intégrer toutes ces données et comprendre le fonctionnement des cellules vivantes de manière détaillée. Ce paradoxe est expliqué par le fait que notre connaissance des interactions entre molécules biologiques a progressé beaucoup plus lentement que la détermination des séquences génomiques. Les protéines sont les macromolécules les plus importantes pour le fonctionnement des cellules et les interactions moléculaires sont les phénomènes centraux pour expliquer leur comportement. Les structures tertiaires des protéines et la dynamique de ces structures dépendent principalement d’interactions intramoléculaires tandis que leurs structures quaternaires et leurs associations avec des ligands de toutes tailles reposent sur des interactions intermoléculaires. Ces ligands peuvent être des substrats, des inhibiteurs, des effecteurs, des acides nucléiques, des bicouches lipidiques ou d’autres protéines. Des altérations de ces interactions peuvent rendre aberrant un processus normal engendrant ainsi de nombreux types de pathologies. De son côté, la chimiothérapie antibactérienne repose sur une perturbation des processus physiologiques normaux du parasite. Notre réseau est consacré à l’étude des aspects les plus fondamentaux de la Sciences des Protéines et vise à combler le fossé décrit plus haut.
Pour qu’une protéine puisse remplir sa fonction normale, elle doit acquérir une structure bien spécifique. Un nombre croissant de maladies humaines sont associées à des processus aberrants de repliement dont certains conduisent à l’agrégation de protéines sous la forme de fibres amyloïdes ou de plaques. Dans le cas d’un repliement normal, on peut considérer que la coopérativité remarquable de la structure favorise les interactions intramoléculaires. Au contraire, une diminution de la coopérativité globale, suite par exemple à des mutations, permet la transition vers une structure anormale et conduit à des interactions intermoléculaires qui provoquent finalement l’agrégation.
Un premier objectif sera donc de comprendre le mécanisme de cette transition et d’identifier les facteurs qui pourraient l’influencer. Si le mécanisme de repliement de petites protéines (moins de 100 résidus) est assez bien appréhendé, la situation est très différente dans le cas de protéines plus grosses ou liées aux membranes. L’étude du comportement et de la stabilité de quelques unes de ces protéines et des effets de ligands potentiels (cofacteurs, substrats, inhibiteurs ou autres protéines) représentera un aspect important de notre approche. Un second aspect intimement lié au premier se préoccupera de la dynamique des protéines. Il est bien reconnu que l’instabilité des protéines dépend de leur flexibilité, mais cette dernière est indispensable à la fonction. Le comportement fonctionnel d’une protéine résulte donc d’un équilibre délicat entre stabilité et flexibilité. On trouve un autre exemple de cet aspect du problème dans l’existence de domaines non structurés dans la forme native de certaines protéines, domaines qui n’acquièrent une conformation bien définie que suite à des interactions avec certains ligands.
Le but de ce second objectif est l’étude des interactions protéines-ligands. Ces ligands peuvent être de petites molécules (substrats, inhibiteurs, effecteurs), des acides nucléiques, de vastes structures comme des parties de l’enveloppe cellulaire et/ou d’autres protéines. Les systèmes modèles choisis sont les protéines responsables du métabolisme de la paroi cellulaire bactérienne et de la résistance aux -lactamines. Cela implique de continuer la recherche de nouveaux agents antibactériens dont les cibles seraient les transglycosylases et les DD-transpeptidases impliquées dans la biosynthèse du peptidoglycane, l’étude des -lactamases et des systèmes d’efflux. Cette approche demande un investissement majeur dans la conception et la modélisation de nouvelles molécules et dans la synthèse d’inhibiteurs originaux et de substrats difficiles à préparer ou d’analogues de ces substrats. L’induction de la synthèse des -lactamases implique aussi des interactions protéine-DNA et DNA-protéine-ligand ainsi que la transmission de messages par des protéines transmembranaires, ce qui fournit une liaison évidente avec le premier objectif. De plus, DD-transpeptidases et transglycosylases interagissent avec d’autres protéines pour créer des assemblages supramoléculaires impliqués dans l’élongation et la division cellulaires, ce qui introduit le troisième objectif : les interactions protéine-protéine, leur apparition et leur disparition en fonction des modifications de l’état physiologiques de la cellule. Dans la mesure ou elle s’intéresse à la stabilité des assemblages supramoléculaires, cette approche est reliée au premier objectif et impliquera aussi la résolution de la structure des protéines membranaires, résolution qui, en dépit de quelques succès récents, présente encore de formidables obstacles techniques. Finalement, les interactions protéine-protéine influencent aussi la formation de biofilms, un phénomène intimement lié à la résistance des bactéries aux antibiotiques et à leur pathogénicité ainsi qu’au métabolisme du peptidoglycane comme l’indiquent des résultats récents.
Le projet présente donc un gradation depuis l’étude du comportement de molécules individuelles et de forces intramoléculaires (une approche renforcée par l’apport de la chimie théorique) jusqu’à celle de réseaux macromoléculaires stables ou transitoires.
Ce programme ambitieux demande donc l’analyse de systèmes modèles très divers qui ont été choisis sur la base de l’expérience passée des différents partenaires. Une partie importante du programme est dédiée à la résistance des bactéries aux antibiotiques dont l’étude fait clairement référence aux trois objectifs. De plus, des problèmes liés à la dynamique des protéines incluant la formation des fibres amyloïdes demandent une approche fondamentale qui est susceptible d’applications très importantes dans le domaine médical.
Pour contribuer à la solution de ces problèmes d’une manière aussi efficace que possible, une collaboration a été établie entre les meilleurs groupes belges en Sciences des Protéines. Ces groupes apporteront les meilleures technologies en biologie moléculaire et structurale, en bactériologie, en biophysique, en bioinformatique, en enzymologie, en chimie des protéines et des membranes, en synthèse organique et en chimie théorique. La contribution du partenaire européen (Cam-UK, Dobson) est particulièrement précieuse dans les domaines de la biophysique, de la biologie structurale et de la chimie des protéines. Les cristallographes ont un accès privilégié à l’ESRF à Grenoble. Chaque fois que ce sera possible ou nécessaire, les laboratoires participants procéderont à l’échange des technologies dans lesquelles ils sont spécialisés, ce qui sera particulièrement utile pour la formation des jeunes chercheurs.
