Conception de nanocages protéiques à quatre composants par rupture de symétrie programmée

Contexte académique

Les nanocages protéiques (protein nanocages) sont des assemblages protéiques hautement symétriques, largement utilisés dans le développement de vaccins, la livraison de médicaments et la conception de nanomatériaux. Dans la nature, les virus construisent des structures complexes grâce à la rupture de symétrie (symmetry breaking), en particulier pour les structures icosaédriques (icosahedral) à haut nombre de triangulation (higher triangulation number, T). Cependant, aucune structure tétraédrique (tetrahedral) ou octaédrique (octahedral) à haut nombre T n’a été observée dans la nature grâce à cette rupture de symétrie. Pour explorer ce domaine, les chercheurs ont proposé une stratégie de conception générale, utilisant la pseudosymétrisation (pseudosymmetrization) de blocs de construction trimériques pour construire des nanocages tétraédriques, octaédriques et icosaédriques à haut nombre T.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Sangmin Lee, Ryan D. Kibler, Green Ahn, Yang Hsia, Andrew J. Borst, Annika Philomin, Madison A. Kennedy, Buwei Huang, Barry Stoddard et David Baker, et publié dans la revue Nature. Les auteurs sont affiliés au Département de biochimie de l’Université de Washington, à l’Institut de conception de protéines, à l’Institut médical Howard Hughes, à l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) et au Centre de recherche sur le cancer Fred Hutchinson. L’article a été publié en ligne le 11 juillet 2024.

Processus de recherche

1. Stratégie de conception

Les chercheurs ont proposé une stratégie de conception hiérarchique, utilisant la pseudosymétrisation de blocs de construction trimériques pour construire des nanocages tétraédriques, octaédriques et icosaédriques à haut nombre T. Les étapes spécifiques sont les suivantes : 1. Conception de cages T=1 : Tout d’abord, des trimères homogènes (homotrimers) avec symétrie C3 sont conçus et alignés le long des axes de symétrie tétraédrique, octaédrique et icosaédrique pour former des nanocages T=1. 2. Extraction de sous-structures cycliques : En remplaçant les trimères homogènes par des trimères hétérogènes pseudosymétriques (heterotrimers), des sous-structures cycliques (crowns) sont extraites. Ces trimères hétérogènes sont composés de trois chaînes différentes, manquant d’une interface trimère-trimère, ce qui permet de séparer la sous-structure de la cage. 3. Construction de cages T=4 : Les sous-structures cycliques extraites sont combinées avec de nouveaux trimères homogènes, alignés le long des axes de symétrie tétraédrique, octaédrique et icosaédrique, pour former des nanocages T=4.

2. Conception de trimères hétérogènes pseudosymétriques

Les chercheurs ont utilisé une méthode de transplantation d’interface (interface transplantation) pour transplanter les interfaces de différents trimères homogènes sur un trimère hôte, construisant ainsi des trimères hétérogènes pseudosymétriques. Par des expériences, ces trimères hétérogènes ont été validés pour former les structures attendues, avec des bras de longueurs différentes, facilitant l’assemblage ultérieur.

3. Conception et validation des nanocages

Les chercheurs ont conçu des nanocages T=1 tétraédriques, octaédriques et icosaédriques, et ont validé leurs structures par des expériences. Ensuite, les sous-structures cycliques ont été extraites et combinées avec de nouveaux trimères homogènes pour construire des nanocages T=4. Les structures de ces nanocages ont été validées par microscopie électronique à coloration négative (NSEM) et cryomicroscopie électronique (cryo-EM).

Résultats principaux

1. Structure des nanocages T=4 : Les chercheurs ont réussi à construire des nanocages T=4 tétraédriques, octaédriques et icosaédriques, composés respectivement de 48, 96 et 240 sous-unités, avec des diamètres de 33 nm, 43 nm et 75 nm. Ces nanocages possèdent quatre chaînes différentes et six interfaces protéine-protéine distinctes.
2. Validation des trimères hétérogènes pseudosymétriques : Les expériences ont confirmé que les trimères hétérogènes pseudosymétriques forment les structures attendues, avec des bras de longueurs différentes, facilitant l’assemblage ultérieur.
3. Stabilité thermique et tolérance au pH des nanocages : Les expériences ont montré que les nanocages T=4 octaédriques et icosaédriques restent stables jusqu’à 70°C et maintiennent leur intégrité structurelle à un pH supérieur à 5,3, indiquant leur potentiel en tant que vecteurs de livraison.
4. Internalisation cellulaire des nanocages : Les chercheurs ont fusionné une chaîne de la nanocage icosaédrique avec une protéine de liaison au récepteur de l’asialoglycoprotéine (ASGPR), réussissant ainsi à internaliser les nanocages dans les cellules hépatiques.

Conclusion

Cette étude propose une stratégie de conception générale, utilisant la pseudosymétrisation de blocs de construction trimériques pour construire des nanocages tétraédriques, octaédriques et icosaédriques à haut nombre T. Ces nanocages possèdent des structures complexes et plusieurs sites de fonctionnalisation, offrant de nouvelles plateformes pour le développement de vaccins et la livraison de médicaments. En particulier, la nanocage icosaédrique T=4 possède un volume interne important, permettant l’encapsulation d’acides nucléiques et d’autres macromolécules.

Points forts de la recherche

1. Stratégie de conception innovante : Cette étude propose pour la première fois une stratégie de conception utilisant la pseudosymétrisation de blocs de construction trimériques pour construire des nanocages tétraédriques, octaédriques et icosaédriques à haut nombre T.
2. Structure complexe des nanocages : La construction réussie de nanocages T=4 avec quatre chaînes différentes et six interfaces distinctes démontre leur potentiel dans le développement de vaccins et la livraison de médicaments.
3. Validation expérimentale : Les structures des nanocages ont été validées par NSEM et cryo-EM, et leur stabilité thermique et tolérance au pH ont été confirmées par des expériences.
4. Expérience d’internalisation cellulaire : L’internalisation réussie des nanocages dans les cellules hépatiques démontre leur potentiel en tant que vecteurs de livraison.

Signification de la recherche

Cette étude offre de nouvelles perspectives pour la conception de nanocages protéiques, démontrant la faisabilité de construire des nanostructures complexes par pseudosymétrisation. Ces nanocages ont des applications prometteuses dans le développement de vaccins, la livraison de médicaments et la conception de nanomatériaux. En particulier, la nanocage icosaédrique T=4 possède un volume interne important, permettant l’encapsulation d’acides nucléiques et d’autres macromolécules, offrant ainsi de nouveaux outils pour la thérapie génique et le développement de vaccins.