Quand la résonance magnétique nucléaire devient nos lunettes

Une maladie neurodégénérative est une pathologie qui entraîne une détérioration progressive du fonctionnement des cellules nerveuses et ultimement la mort cellulaire. En raison du vieillissement de la population, la prévalence des maladies neurodégénératives est en constante croissance. En fait, selon les plus récentes statistiques émises par la Société de l’Alzheimer du Canada, 564 000 Canadiens sont actuellement atteints d’une maladie neurodégénérative [1]. La maladie d’Alzheimer est la plus connue et celle qui présente le plus grand nombre d’individus atteints. Bien qu’il existe plusieurs médicaments commercialisés pour la maladie l’Alzheimer, ils permettent seulement d’atténuer les symptômes et leur efficacité est très variable d’un individu à l’autre.

De nombreuses recherches ont permis de déterminer la composition chimique de deux types de lésions cérébrales associées à la maladie d’Alzheimer [2]. Les premières lésions résultent de la formation de dépôts extracellulaires dont le constituant majeur est le peptide β-amyloïde (Aβ) alors que les secondes résultent d’un enchevêtrement de filaments de protéines Tau (dégénérescence neurofibrillaire). Dans l’optique d’élaborer un traitement curatif, des efforts ont été déployés afin de mieux comprendre le processus d’agrégation en fibrilles du peptide β-amyloïde en plus de déterminer leur architecture tridimensionnelle. En outre, un modèle a été proposé dans lequel les fibrilles amyloïdes adoptent une structure canonique du type β-croisé, qui se caractérise par un alignement perpendiculaire des feuillets-β constituant les protofilaments par rapport à l’axe principal de la fibrille (Figure 1) [3].

Figure 1 : Illustration du modèle structural pour une fibrille amyloïde [3]

Le professeur Robert G. Griffin du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a été un pionnier dans l’étude des peptides β-amyloïdes par résonance magnétique nucléaire (RMN) des solides. Dans un article paru en 2015 dans Journal of the American Chemical Society (JACS), la structure des fibrilles du peptide amyloïde Aβ1-42, qui est le fragment peptidique présentant la plus grande toxicité, a été élucidée [4]. Ce fragment peptidique est d’autant plus difficile à caractériser en raison du fait qu’il s’agrège très rapidement, ce qui complexifie la préparation de fibrilles amyloïdes ayant une grande homogénéité structurale. Pour ce faire, le fragment peptidique Aβ1-42 a été surexprimé dans la bactérie E. coli en utilisant la technique de l’ADN recombinant, et ce, dans un milieu de culture enrichi en carbone-13 et azote-15 afin de générer le peptide Aβ1-42 uniformément marqué de ces deux isotopes actifs en RMN. À la suite d’une purification, le processus de fibrillation a été enclenché et les fibrilles ont été observées par microscopie électronique à transmission (TEM) et caractérisées par RMN des solides avec la technique de rotation à l’angle magique. La structure des fibrilles a été déterminée en analysant les contraintes de déplacements chimiques obtenues par diverses expériences RMN bidimensionnelles et tridimensionnelles (Figure 2). À la suite d’un travail colossal, l’équipe du Professeur Griffin a effectué l’attribution des résonances du squelette peptidique et des chaînes latérales pour 38 acides aminés du peptide Aβ1-42.

Figure 2 : Spectre RMN de corrélations 13C−13C obtenu avec la technique DARR (Dipolar Assisted Rotational Resonance) pour le peptide amyloïde Aβ1-42 [4]

En utilisant ces contraintes de déplacement chimique, une prédiction des angles dièdres Φ et Ψ a été réalisée avec le logiciel TALOS+ (Torsion Angle Likehood Obtained from Shift). Les résultats de la prédiction suggèrent que chaque monomère à l’intérieur d’une fibrille est constitué de 4 brins-β. En consultant la Figure 3, nous pouvons constater que les acides aminés impliqués dans ces brins-β sont majoritairement localisés dans la région C-terminale du peptide. D’autres expériences RMN ont permis d’établir que la dynamique des acides aminés du peptide Aβ1-42 est significativement différente d’une région à l’autre. Par exemple, les 5 premiers acides aminés de la région N-terminale présentent la plus grande dynamique alors que ceux de la section 16-42 forment une région de plus grande rigidité. Il est d’autant plus intéressant que cette rigidité accrue est corrélée avec la présence d’acides aminés impliqués dans une structure secondaire.

Figure 3 : Illustration de la séquence primaire du peptide amyloïde Aβ1-42 et identification des acides aminés faisant partie intégrante des 4 brins-β prédits par le logiciel TALOS+ [4]

Ces travaux mettent donc en évidence la grande utilité de la RMN relativement à l’étude des macromolécules biologiques puisqu’elle permet d’obtenir de l’information à la fois sur la structure et la dynamique des systèmes, et ce, avec une résolution à l’échelle atomique. Dans le contexte de ces recherches, ces informations s’avèrent cruciales pour mieux comprendre l’impact de certains déterminants moléculaires sur le processus de fibrillation. ■

Article par Matthieu Fillion

Bibliographie :
[1] Société Alzheimer Canada. (2019). Les chiffres sur la maladie au Canada. Repéré à https://alzheimer.ca/fr/Home/About-dementia/What-is-dementia/Dementia-numbers
[2] Iadanza, M. G., Jackson, M. P., Hewitt, E. W., Ranson, N. A. et Radford, S. E. (2018) Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 19, 755-773.
[3] Petkova, A. T., Ishii, Y., Balbach, J. J., Antzutkin, O. N., Leapman, R. D., Delaglio, F. et Tycko, R. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 16742-16747.
[4] Colvin, M. T., Silvers, R., Frohm, B., Su, Y., Linse, S., et Griffin, R. G. (2015) J. Am. Chem. Soc., 137, 7509-7519.

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