Les structures des protéines liées à la maladie de Parkinson offrent un cadre pour comprendre comment elles fonctionnent ensemble

Les scientifiques de l'hôpital de recherche pour enfants St. Jude ont révélé la structure complexe de deux protéines liées à la maladie de Parkinson, toutes deux impliquées dans des cas d'apparition tardive. La kinase 2 répétée riche en leucine (LRRK2) est une protéine kinase qui modifie d'autres protéines dans un processus appelé phosphorylation ; Rab29, membre de la famille Rab GTPase qui régule le trafic cellulaire, module l'activité de LRRK2.

La manière dont Rab29 et LRRK2 agissent en synergie pour provoquer la maladie de Parkinson reste floue. Les chercheurs de St. Jude ont déterminé les structures de LRRK2 liées à Rab29, découvrant ainsi les mystères derrière la régulation de LRRK2 et des informations ayant des implications pour la conception de médicaments.

L'ouvrage a été publié aujourd'hui dans Science.

La maladie de Parkinson est la deuxième maladie neurodégénérative la plus courante après la maladie d'Alzheimer et touche 1 à 2 % de la population âgée de plus de 65 ans. Le lien génétique avec la maladie est bien connu, avec environ 15 % des cas présentant des antécédents familiaux. Bien qu’il existe une longue liste de gènes associés à la maladie, la mutation de LRRK2 est l’une des causes les plus courantes. En raison de sa grande taille, les études structurelles sur LRRK2 ont été fastidieuses.

“Il est extrêmement difficile de travailler avec cette protéine”, a déclaré l'auteur correspondant Ji Sun, Ph.D., Département de biologie structurale de St. Jude.

Malgré ces difficultés, Sun et son équipe ont présenté la première structure du LRRK2 complet en 2021 en Cellule.

“Dans ce premier article, nous avons obtenu la structure de LRRK2, mais cette structure montrait une conformation inactive”, a expliqué Sun. Les protéines ont souvent des formes actives et inactives, régulées par différents signaux cellulaires. Parfois, il faut une liaison à une autre protéine pour déclencher les changements structurels qui font passer une protéine d’une forme inactive à une forme active. “Nous avons donc commencé à penser : “Nous avons un état clé de LRRK2”. Pouvons-nous obtenir sa conformation active ? »

La microscopie cryoélectronique capture l'état actif de LRRK2

La recherche de la conformation active n’était pas aussi simple que d’ajouter Rab29 à LRRK2. LRRK2 peut se lier à d’autres molécules LRRK2 dans un processus appelé oligomérisation. Cela peut transformer un seul monomère LRRK2 (une unité) en un dimère (deux unités) ou même en des assemblages plus grands. Cela signifiait que les chercheurs devaient rechercher la version qui représentait la forme active. Il y avait également le problème que Rab29 soit localisé au niveau des membranes cellulaires.

“Dans les cellules, environ 90 % ou plus du cytosol LRRK2”, a expliqué Sun. “Une très petite quantité est située à la surface de la membrane et forme de gros oligomères. Et ce sont ces versions qui sont actives et fonctionnelles.”

En utilisant la microscopie cryoélectronique, les chercheurs, dont le premier auteur Hanwen Zhu, Ph.D., du département de biologie structurale de St. Jude, ont déterminé les premières structures du complexe Rab29-LRRK2. Cela comprenait les structures du monomère (une paire) et du dimère (deux paires), mais aussi un tétramère inattendu (quatre paires).

“Dans ce tétramère, nous voyons la conformation active de LRRK2, mais dans les complexes monomères et dimères, LRRK2 est dans une conformation inactive”, a déclaré Sun.

Comprendre le complexe Rab29-LRRK2

Ces résultats démontrent que LRRK2 est activé non seulement par les protéines avec lesquelles il interagit, mais également par leur disposition spatiale au sein des cellules.

“Nous proposons une transition du monomère au tétramère lors du recrutement membranaire”, a expliqué Sun. “À l'intérieur de la cellule, il s'agit principalement de monomères ou dimères inactifs de LRRK2. Mais lorsque Rab29 recrute LRRK2 dans la membrane, la concentration locale de LRRK2 augmente. Cela facilite alors la transition vers le tétramère, dans lequel LRRK2 devient actif.”

Quelles sont les implications pour la maladie de Parkinson ? Ces structures fournissent aux chercheurs une carte à l'échelle atomique permettant de retracer comment les différentes mutations à l'origine de la maladie de Parkinson affectent le fonctionnement de ce complexe.

“Toutes ces mutations favorisent en fait la conformation active, ce qui signifie qu'elles fournissent de nouvelles interactions dans la conformation active ou perturbent les interactions au sein de la conformation inactive”, a déclaré Sun. “Les effets des mutations peuvent être magnifiquement visualisés dans nos structures ; c'est très bien expliqué.”

L’importance de telles études structurelles ne réside pas seulement dans les connaissances acquises, mais également dans leur application potentielle à la conception de médicaments. Par exemple, les chercheurs ont également capturé la structure de LRRK2 en présence du médicament DNL201. Ce médicament, qui a fait l'objet d'un essai clinique de phase 1, verrouille la protéine dans un état actif, il a donc été utilisé pour valider leurs découvertes selon lesquelles le tétramère était bien la forme active du complexe.

“Nous avons maintenant une conformation inactive et une conformation active, nous pouvons donc surveiller la transition de l'état inactif à l'état actif”, a expliqué Sun. “Ces structures fournissent des informations indispensables aux chimistes médicinaux pour concevoir de nouveaux inhibiteurs contre LRRK2 pour le traitement de la maladie de Parkinson.”