Le premier «mini prion» synthétique montre comment les multiples repliages des protéines se multiplient

Des scientifiques de la Northwestern University et de l’Université de Californie, Santa Barbara ont créé le premier fragment synthétique de la protéine tau qui agit comme un prion. Le «mini prion» se replie et se casse dans des brins (ou des fibrilles) de protéines tau mal repliées, qui transmettent ensuite leur forme anormalement pliée à d’autres protéines tau normales.

Les protéines mal repliées et prions entraînent la progression des tauopathies, un groupe de maladies neurodégénératives – y compris la maladie d’Alzheimer – qui se sont associées par l’accumulation anormale de protéine tau mal ouverte dans le cerveau.

En étudiant une version synthétique minimale du tau humain pleine longueur, les scientifiques peuvent mieux recréer la structure des fibrilles contenant des protéines tau mal repliées. Cela pourrait potentiellement conduire à des outils ciblés de diagnostic et de thérapie qui sont indispensables pour les maladies neurodégénératives.

Tout en développant la protéine synthétique, les scientifiques ont également découvert de nouvelles perspectives sur le rôle de l’eau autour de la surface des protéines qui guide le processus de mauvais repliement.

Une mutation couramment utilisée pour modéliser les maladies liées au TAU modifie subtilement la structure dynamique de l’eau dans l’environnement entourant immédiatement la protéine tau, selon les chercheurs. Cette structure d’eau modifiée influence la capacité de la protéine à adopter sa forme anormale.

L’étude, «Épinglage dirigé par l’eau est la clé de la formation de prions de tau», est publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

“La portée des maladies neurodégénératives impliquant la protéine Tau est particulièrement large”, a déclaré Songi Han de Northwestern, qui a dirigé l’étude.

“Il englobe une encéphalopathie traumatique chronique, qui se trouve chez les joueurs de football après un traumatisme crânien, une dégénérescence corticobasale ou une paralysie progressive surnucléaire. Création de fragments de tau autopropulsion qui peuvent recréer la structure de fibril et une mauvaise repapage qui est unique à chaque maladie du tauopathie est un pas crucial dans notre capacité à comprendre et à comprendre ces maladies complexes.”

Han est le professeur de chimie de Mark et Nancy Ratner au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre de l’Institut de la chimie des processus de la vie, du programme d’études supérieures de physique appliquée, de l’Institut international de la nanotechnologie, de la recherche et de l’ingénierie de l’information pour la durabilité et de l’énergie et de l’Institut. Michael Vigers, un ancien doctorat. L’étudiant du laboratoire de Han, a dirigé l’étude et est un premier auteur.

Une réaction de chaîne de mauvais repliement

Dans de nombreuses maladies neurodégénératives, les protéines se replient et se regroupent mal dans des fibrilles nocives et hautement ordonnées, qui endommagent finalement la santé du cerveau mais sont difficiles à diagnostiquer. Lorsqu’une protéine normale rencontre les fibrilles tau pathologiques, la protéine normale change de forme pour correspondre à la forme mal repliée.

Ce processus conduit à une réaction en chaîne, où de plus en plus de protéines se transforment en état mal replié et sujet à l’agrégation. Bien que ce comportement ressemble à des prions, il n’implique pas de prions réels, qui peuvent répartir les maladies contagieuses d’une personne à l’autre.

En utilisant la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM), les chercheurs ont résolu la structure des fibrilles à partir d’échantillons de tissu cérébral. Bien que l’entraînement de la structure était une percée significative, les échantillons de cerveau ne peuvent être obtenus qu’après le décès d’un patient. Malgré des progrès spectaculaires et un intérêt intense dans ce domaine, le diagnostic final des maladies neurodégénératifs liés au tau n’est possible qu’après la mort.

“Lorsque les gens commencent à montrer des signes de maladie neurodégénérative, il n’est pas diagnostiqué aujourd’hui avec un biomarqueur”, a déclaré Han.

“Les médecins déterminent le diagnostic en administrant une enquête sur les patients et en examinant une collection de symptômes, comme les habitudes de sommeil et la mémoire. Le goulot d’étranglement est la génération fiable de fibrilles tau qui recréent les caractéristiques de la maladie critique et unique pour servir de cibles pour développer des stratégies de diagnostic.”

Un modèle simplifié

Pour relever le défi actuel, Han et son équipe ont cherché à développer une protéine Tau synthétique en forme de prion. Au lieu de recréer toute la longueur de la protéine, qui est longue et lourde, l’équipe de Han visait à identifier le morceau de tau le plus court qui pourrait encore adopter une forme mal repliée et former des fibrilles de type maladie.

En fin de compte, Han et son équipe se sont concentrées sur un court segment de Tau, surnommé JR2R3, qui ne représente que 19 segments d’acides aminés. Le segment contient une mutation appelée p301l, couramment trouvée dans de nombreuses maladies. Les chercheurs ont constaté que ce peptide court pourrait former les fibrilles nocives, qui sont la marque de marque de ces maladies, et agir comme une “graine” pour modèle le mauvais repliement et l’agrégation des protéines TAU pleine longueur.

“Nous avons fait une mini version plus facile à contrôler”, a déclaré Han. “Mais cela fait toutes les mêmes choses que la version pleine longueur. Il fait l’ensemencement, ce qui fait mal les protéines TAU normales et rejoignent les fibrilles.”

En utilisant Cryo-EM, l’équipe a examiné la structure des fibrilles synthétiques. Ils ont constaté que la mutation P301L facilite un type spécifique de mauvais repliement souvent observé dans les échantillons de patients atteints de neurodégénérescence. La découverte suggère que la mutation joue un rôle crucial dans la mise en place de la protéine vers le repliement.

La forme de l’eau

Ensuite, Han visait à comprendre comment les protéines Tau initialement désordonnées convergent pour devenir des structures de fibrilles hautement ordonnées. Elle a comparé le phénomène mystérieux pour lancer ensemble des brins de spaghettis molle, s’attendant à ce qu’ils forment une pile soignée.

“Il est impossible qu’une protéine intrinsèquement désordonnée tombe naturellement dans un pli et une pile parfaits qui peuvent se régénérer pour toujours”, a déclaré Han. “Cela n’a pas de sens.”

Après avoir émis l’hypothèse que quelque chose doit maintenir ensemble les protéines mal repliées, Han a trouvé la clé: l’eau. L’environnement entourant une protéine, en particulier les molécules d’eau, joue un rôle crucial dans le repliement et l’agrégation des protéines. La mutation P301L semble modifier directement la structure de la protéine tau ainsi que changer le comportement des molécules d’eau qui l’entourent.

“L’eau est une molécule fluide, mais elle a toujours une structure”, a déclaré Han. “La mutation dans le peptide pourrait conduire à un arrangement plus structuré des molécules d’eau autour du site de mutation. Cette eau structurée influence la façon dont le peptide interagit avec d’autres molécules, les épinglant ensemble.”

En d’autres termes, l’eau organisée épingle les protéines ensemble, permettant aux brins individuels de se rabattre en une pile soignée. Ensuite, en utilisant leur comportement semblable à un prion, les fibrilles recrutent d’autres protéines pour se replier et rejoindre la pile.

L’équipe de recherche se concentre désormais sur la caractérisation supplémentaire des propriétés des protéines synthétiques en forme de prion. Finalement, ils prévoient d’explorer des applications potentielles, notamment le développement de nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques pour les maladies liées au tau.

“Une fois qu’une fibrille tau est formée, elle ne disparaît pas”, a déclaré Han. “Il saisira le tau naïf et le pliera dans la même forme. Il peut continuer à le faire pour toujours et à jamais. Si nous pouvons comprendre comment bloquer cette activité, nous pourrions découvrir de nouveaux agents thérapeutiques.”