Lorsque vous pensez aux protéines – les enzymes, les molécules de signalisation et les composants structurels de tout être vivant – vous pourriez penser à des brins simples d’acides aminés, organisés comme des perles sur une ficelle. Mais presque toutes les protéines sont constituées de plusieurs brins repliés et liés les us aux autres, formant des superstructures 3D complexes appelées assemblages moléculaires. L’une des étapes clés pour comprendre la biologie consists à découvrir comment une protéine fait son travail, ce qui nécessite une connaissance de ses structures jusqu’au niveau atomique.
Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont développé et déployé des technologies étonnantes telles that the crystallographie aux rayons X et la microscopie cryoélectronique pour déterminer la structure des protéines, et ont ainsi répondu à d’innombrables important questions. Mais de nouveaux travaux montrent que comprendre la structure des protéines peut parfois être plus compliqué qu’on ne le pense.
Un groupe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) étudiant la protéine la plus abondante au monde, une enzyme impliquée dans la photosynthèse appelée rubisco, a montré comment l’évolution peut conduire à une surprenante diversité d’assemblages moléculairus qui la même tâche. Les conclusions, publiées aujourd’hui dans Avancées scientifiquesrevèlent la possibilité que de nombreuses protéines que nous pensions connaître existent en fait sous d’autres formes inconnues.
Historiquement, si les scientifiques résolvaient une structure et déterminaient qu’une protéine était dimère (composée de deux unités), par exemple, ils pouvaient supposer que des protéines similaires existaient également sous une forme dimère. Mais la petite taille de l’échantillon et le biais d’échantillonnage – des facteurs inévitables étant donné qu’il est très difficult de convertir des protéines naturellement liquides en formes solides et crystallisées pouvant être examinées par crystallographie aux rayons X – obscurcissaient la rancissaient the rayons X.
“C’est comme si vous marchiez dehors et que vous voyiez quelqu’un promener son chien, si vous n’aviez jamais vu de chien auparavant, puis que vous voyiez un chien de saucisse, vous penseriez:” OK, c’est à quoi ressemblent tous les chiens. Mais ce que vous devez faire, c’est aller au parc canin et voir toute la diversity canine qui s’y trouve “, to declare the author principal Patrick Shih, chercheur dans le domaine des biosciences et directeur de la conception des biosystèmes végétaux au Joint BioEnergy Institute (JBEI). “A point à retenir de cet article qui va au-delà du rubisco, à toutes les protéines, est la question de savoir si nous voyons ou non la véritable gamme de structures dans la nature, ou si ces biais donnent l’impression que tout ressemble à un chien saucisse.
In the exhibition of explorer tous les différents arrangements de rubisco au parc canin métaphorique et d’apprendre d’où ils venaient, le laboratoire de Shih a collaboré avec des experts en biologie structurale de Bioscience Area en utilisant la source de lumière avancée de Berkeley Lab. Ensemble, l’équipe a étudié un type de rubisco (forms II) trouvé dans les bactéries et un sous-ensemble de microbes photosynthétiques en utilisant la crystallographie traditionnelle – une technique capable de resolution au niveau atomique – combinée à une autre technique de resolution de structure, X-petit angle la diffusion des rayons (SAXS), here at une resolution inférieure mais peut take des instantanés de protéines dans leur native forms lorsqu’elles sont dans des mélanges liquides. SAXS a avantage supplémentaire d’une capacité à haut débit, ce qui signifie qu’il peut traiter des dizaines d’assemblages de protéines individels en succession rapide.
Des travaux antérieurs avaient montré que le type de rubisco le mieux étudié trouvé dans les plantes (forms I) take toujours an assemblage de «noyau octamérique» de huit grandes unités protéiques disposées avec huit petites unités, alors que la forme II était censée exister main sous forme de dimère with a quelques rares exemples d’hexamères à six unités. Après avoir utilisé ces techniques complémentaires pour examiner des échantillons de rubisco provenant d’une gamme variée d’espèces de microbes, les auteurs ont observé que la plupart des protéines de rubisco de forme II sont en fait des hexamères, avec parfois des dimères, et ils ont découvert un tétramère (quatre unités) jamais vu auparavant. Assemblée.
La combinaison de ces données structurelles avec les séquences de gènes codant pour les protéines respectives a permis à l’équipe d’effectuer une reconstruction de séquence ancestrale – une méthode d’évolution moléculaire informatisée qui peut estimer à quoi ressemblaient les protéines en ancestrales la séquence et de apparence des protéines modernes qui ont évolué à partir d’elles. .
The reconstruction suggests that the gène de la forme II steal a changé au cours de son histoire évolutive pour produire des protéines avec une gamme de structures qui se transforment en de nouvelles forms ou reviennent asses easily à des structures plus anciennes. En revanche, au cours de l’évolution, des pressions sélectives ont conduit à une série de changements qui ont verrouillé la forme I rubisco en place – un processus appelé retranchement structurel – c’est pourquoi l’emblage octamérique est le seul arrangement que nous voyons maintenant. Selon les auteurs, on a supposé que la plupart des assemblages de protéines étaient ancrés au fil du temps par une pression sélective pour affiner leur fonction, comme on le voit avec la forms I rubisco. Mais cette recherche suggère que l’évolution peut also favoriser les protéines flexibles.
«La grande découverte de cet article est qu’il ya beaucoup de plasticité structurelle», a déclaré Shih, qui est également professeur adjoint à l’UC Berkeley. «Les protéines peuvent être beaucoup plus flexibles, à travers le champ, que nous ne le pensions. “
Après avoir terminé la reconstruction de la séquence ancestrale, l’équipe a mené des expériences mutationnelles pour voir comment the modification de l’emblage rubisco, dans ce cas la rupture d’un hexamère en un dimère, affectait l’activité de l’enzyme . De manière inattendue, cette mutation induite a produit une forme de rubisco qui utilise mieux sa molécule cible, le CO2. Tous les rubisco naturels se lient fréquemment au O de taille similaire2 molécule accidentellement, abaissant la productivité de l’enzyme. Il ya beaucoup d’intérêt à modifier génétiquement le rubisco dans les espèces de plantes agricoles pour augmenter the affinity de la protéine pour le CO2, afin de produire des cultures plus productives et économes en ressources. Cependant, on s’est beaucoup concentré sur le site actif de la protéine – la région de la protéine où le CO2 ou O2 lier.
“C’est un aperçu intéressant pour nous car cela suggère que pour avoir des résultats d’ingénierie rubisco plus fructueux, nous ne pouvons pas simplement regarder la réponse la plus simple, la région de l’enzyme qui interactit réellement avec le CO2«, To declare the premier author Albert Liu, an étudiant diplômé du laboratoire de Shih. «Peut-être qu’il ya des mutations en dehors de ce site actif qui participent réellement à cette activité et peuvent potentiellement changer la fonction des protéines d’une manière que nous voulons. C’est donc quelque chose qui ouvre vraiment les portes à de futures voies de recherche. “
The co-authors Paul Adams, director associé du laboratoire pour les biosciences and vice-president for the technology chez JBEI ajouté: «The mélange de techniques employées et la nature interdisciplinaire de l’équipe ont été une veritable clé du succès. Les travaux mettent en évidence la puissance de la combinaison des données genomiques et méthodes de biologie structurale pour étudier one des problèmes les plus importants de la biologie et parvenir à des conclusions inattendues. “
Les expériences de biologie structurale ont été réalisées à l’Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE). La ligne de lumière SYBILS is partiellement financée par the DOE Office of Biological and Environmental Research. La crystallographie aux rayons X a été réalisée au Berkeley Center for Structural Biology. JBEI is a research center sur la bioénergie géré par Berkeley Lab. It travails a été financé par the DOE Office of Science and the David et Lucile Packard Foundation.
