G-quadruplexes catalysent le pliage des protéines : rapport d’étude

Contexte académique

Le pliage des protéines est un problème complexe et encore mal compris dans les organismes vivants. De nombreuses protéines se plient très lentement in vitro, bien au-delà des délais acceptables sous conditions physiologiques. Pour relever ce défi, on pense que les chaperonines ATP-dépendantes (chaperonins) peuvent accélérer le pliage des protéines, permettant leur réalisation en temps physiologique. Cependant, cette capacité est-elle limitée aux protéines chaperonnes ATP-dépendantes ? La question centrale de cette étude est d’explorer s’il existe d’autres molécules capables de catalyser le pliage des protéines comme les chaperonines ATP-dépendantes, aidant ainsi la cellule à achever le pliage des protéines plus rapidement.

Les G-quadruplexes (G4s) sont des structures quadruplées formées par des séquences d’acides nucléiques riches en guanine. Dans les eucaryotes, les G-quadruplexes se forment sous conditions de stress et se dissocient lorsque le stress cesse. Des recherches récentes ont montré que les G-quadruplexes pourraient jouer un rôle important dans la protéostase, mais leur mécanisme précis dans le pliage des protéines reste à élucider. Cette étude vise à explorer si les G-quadruplexes peuvent catalyser le pliage des protéines et à révéler leur mécanisme moléculaire.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée conjointement par Zijue Huang, Kingshuk Ghosh, Frederick Stull et Scott Horowitz. Les auteurs proviennent respectivement du Département de chimie et biochimie, de l’Institut Knoebel pour le vieillissement en bonne santé, du Département de physique de l’Université de Denver, et du Département de chimie de l’Université d’État de l’Ouest du Michigan. L’article a été publié le 6 février 2025 dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), intitulé « G-quadruplexes catalyse protein folding by reshaping the energetic landscape ». Cette recherche a été financée par les Instituts nationaux de la santé des États-Unis (NIH) et la Fondation nationale des sciences (NSF).

Méthodologie et résultats

1. Catalyse du pliage des protéines par les G-quadruplexes

La question centrale de cette étude est d’explorer si les G-quadruplexes peuvent catalyser le pliage des protéines. L’équipe de recherche a choisi une protéine fluorescente tagRFP675 comme sujet d’étude, examinant sa cinétique de pliage et dépliage in vitro en présence et en absence de G-quadruplexes.

• Étude du mécanisme de pliage des protéines : Tout d’abord, l’équipe de recherche a observé le processus de pliage de tagRFP675 sans G-quadruplexe en utilisant des techniques de spectroscopie fluorescente. Les expériences ont montré que le pliage de tagRFP675 comprend au moins un intermédiaire fluorescent (i1) et l’état natif final (n). Grâce à la modélisation cinématique, l’équipe a découvert qu’un intermédiaire hors parcours (i2) était également présent lors du pliage, indiquant que certaines protéines pouvaient être “piégées” sur des chemins erronés, ralentissant ainsi le pliage.

• Dépendance topologique des G-quadruplexes : Pour explorer l’influence de la structure topologique des G-quadruplexes sur leur activité catalytique, l’équipe a testé les effets des structures parallèles (parallel), antiparallèles (antiparallel) et hybrides 3+1 sur le pliage de tagRFP675. Les résultats montrent que les G-quadruplexes parallèles (seq576) favorisent le plus le pliage des protéines, tandis que les structures antiparallèles n’ont pas d’effet notable.

2. Mécanisme de la catalyse du pliage des protéines par les G-quadruplexes

• Interaction entre les G-quadruplexes et les protéines : En présence de G-quadruplexes, l’équipe a constaté que les protéines se lient aux G-quadruplexes tout au long du processus de pliage, formant des complexes (ug4, i1g4, ng4). Ce modèle de “pliage lié” accélère considérablement le pliage des protéines et réduit efficacement la formation d’intermédiaires hors parcours (i2).

• Impact thermodynamique des G-quadruplexes : En effectuant des expériences à différentes températures, l’équipe a utilisé l’équation d’Eyring pour calculer les paramètres thermodynamiques du pliage des protéines, y compris les variations d’enthalpie (ΔH), d’entropie (ΔS) et d’énergie libre (ΔG). Les résultats montrent que les G-quadruplexes modifient les facteurs de conduite thermodynamique du pliage des protéines, accélérant ainsi le processus. En particulier, les G-quadruplexes réduisent significativement la barrière entropique (entropy barrier), facilitant ainsi la transition des protéines de l’état intermédiaire à l’état natif.

Conclusions

Cette étude révèle pour la première fois que les G-quadruplexes, en tant que molécules non ATP-dépendantes, peuvent catalyser le pliage des protéines. Les résultats montrent que les G-quadruplexes accélèrent le pliage des protéines en modifiant les facteurs de conduite thermodynamique du pliage et en réduisant efficacement la formation d’intermédiaires hors parcours. Ces découvertes suggèrent que l’accélération du pliage des protéines dans la cellule ne dépend pas uniquement des chaperonines ATP-dépendantes, mais que d’autres molécules comme les G-quadruplexes peuvent également jouer un rôle crucial dans ce processus.

Points forts de l’étude

1. Nouvelle découverte mécanistique : Cette étude prouve pour la première fois que les G-quadruplexes peuvent catalyser le pliage des protéines, remettant en question l’idée prévalente selon laquelle seules les chaperonines ATP-dépendantes possèdent une fonction d’accélération du pliage.
2. Dépendance topologique : Les résultats montrent que la structure topologique des G-quadruplexes influence significativement leur activité catalytique, avec les structures parallèles qui présentent le meilleur effet catalytique.
3. Pliage des protéines dirigé par la thermodynamique : L’analyse thermodynamique révèle comment les G-quadruplexes accélèrent le pliage des protéines en modifiant les variations d’enthalpie et d’entropie des chemins de pliage.

Valeur appliquée et perspectives futures

Cette étude offre une nouvelle perspective pour comprendre le mécanisme complexe du pliage des protéines dans la cellule et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches thérapeutiques pour les maladies liées au pliage des protéines. Par exemple, certaines maladies neurodégénératives (comme la maladie d’Alzheimer) sont liées à des pliages erronés des protéines, et les G-quadruplexes pourraient devenir de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles. De plus, l’étude suggère que les molécules d’acide nucléique à l’intérieur de la cellule peuvent réguler globalement le temps de pliage des protéines, fournissant une base théorique importante pour l’étude future des réseaux de régulation du pliage des protéines dans la cellule.

Les découvertes de cette étude non seulement élargissent notre compréhension des mécanismes de pliage des protéines, mais ouvrent également la voie au développement de nouveaux outils pour contrôler le pliage des protéines.