Substrate-dependent crosslinking by the cytochrome P450 from aminopyruvatide biosynthesis

La nature s'appuie depuis longtemps sur un tour de passe-passe élégant et unique pour construire des machines moléculaires complexes : elle prend une simple chaîne d'acides aminés, les briques élémentaires des protéines, et les tord en boucles serrées et durables. Ces boucles, connues sous le nom de macrocycles, sont souvent plus stables et plus puissantes que leurs cousines à chaîne linéaire, ce qui en fait des outils précieux pour lutter contre les maladies. L'un des outils les plus polyvalents de la nature pour créer ces boucles est une famille d'enzymes appelées cytochromes P450. Présentes dans des organismes allant des bactéries aux humains, ces enzymes agissent comme des sculpteurs moléculaires, capables d'assembler différentes parties d'une chaîne protéique pour former de nouvelles liaisons chimiques. Bien que les scientifiques sachent depuis un certain temps que ces enzymes peuvent lier deux cycles aromatiques — des structures présentes dans des acides aminés comme la tyrosine et le tryptophane — pour fermer une boucle, les règles exactes régissant la manière dont elles choisissent quels atomes connecter sont restées quelque peu mystérieuses. Comprendre ces règles est crucial car cela pourrait permettre aux chercheurs de reprogrammer ces enzymes pour construire des types entièrement nouveaux de médicaments, ciblant potentiellement des maladies que les médicaments actuels ne peuvent atteindre.

Dans une étude récente, des chercheurs se sont donné pour mission de cartographier les limites de cette sculpture enzymatique, en se concentrant sur une enzyme P450 spécifique appelée ApyO, qui intervient dans la fabrication d'un produit naturel connu sous le nom d'aminopyruvatide. Cette enzyme prend normalement un précurseur peptidique contenant une séquence spécifique de trois lettres, tyrosine-leucine-tyrosine, et fusionne les deux unités de tyrosine ensemble avec une liaison carbone-carbone pour former un cycle. L'équipe voulait voir si l'enzyme serait assez flexible pour accepter des changements dans la séquence environnante et, si tel était le cas, si ces changements modifieraient le type de liaison formée. Pour tester cela, ils ont utilisé une méthode appelée traduction acellulaire, qui permet de synthétiser de courts fragments de protéines dans un tube à essai sans avoir besoin de cellules vivantes. Cette approche leur a permis de créer rapidement des dizaines de variations du peptide, en remplaçant des acides aminés spécifiques pour voir comment l'enzyme réagissait.

Les chercheurs ont d'abord confirmé que l'enzyme pouvait travailler sur un très court fragment de la protéine, de seulement dix acides aminés, à condition qu'un résidu arginine spécifique soit présent près du début de la séquence. Cette découverte suggère que l'enzyme reconnaît une région compacte du peptide plutôt que d'avoir besoin de la structure entière de la protéine pour fonctionner. Lorsqu'ils ont remplacé la leucine centrale de la séquence par d'autres acides aminés, l'enzyme a continué à fonctionner, mais les résultats ont été étonnamment complexes. Dans certains cas, l'enzyme a produit deux versions différentes de la même molécule, qui semblaient identiques en masse mais se comportaient différemment en laboratoire. En utilisant des techniques d'imagerie détaillées pour observer les atomes au sein de ces molécules, l'équipe a découvert que l'enzyme n'avait pas seulement formé l'habituelle liaison carbone-carbone. Au lieu de cela, pour certains variants, elle avait formé une liaison carbone-oxygène, reliant les deux cycles de tyrosine par un atome d'oxygène. Dans une autre variation où un tryptophane remplaçait l'une des tyrosines, l'enzyme a formé une liaison azote-carbone, connectant les cycles par un atome d'azote.

Cette découverte a révélé une plasticité cachée dans le comportement de l'enzyme. Plutôt que d'être une machine rigide qui ne crée qu'une connexion spécifique, ApyO semble être sensible à la forme et à la chimie de l'espace entre les deux cycles qu'elle tente de joindre. Lorsque les chercheurs ont modifié l'acide aminé situé entre les deux tyrosines, l'enzyme a ajusté sa prise, menant à des résultats chimiques différents. L'étude a également montré que la spectrométrie de masse, un outil courant pour peser les molécules, n'était pas suffisante pour distinguer ces différentes structures ; il a fallu regarder l'arrangement spécifique des atomes pour que les chercheurs puissent faire la différence entre les liaisons carbone-carbone, carbone-oxygène et azote-carbone. Cela souligne un point critique pour les recherches futures : supposer qu'un changement de masse signifie toujours que le même type de liaison chimique s'est formé peut conduire à des conclusions erronées sur ce que la nature est réellement en train de construire.

Au-delà des surprises structurelles, l'équipe a exploré la valeur médicale potentielle de ces nouvelles molécules. L'aminopyruvatide naturel produit par la voie enzymatique originale contient un groupe chimique spécifique à son extrémité qui est connu pour inhiber les protéases, une classe d'enzymes qui décomposent les protéines et qui sont souvent impliquées dans des processus pathologiques comme la métastase cancéreuse et l'infection virale. Les chercheurs ont synthétisé une version du produit naturel et ont constaté qu'il s'agissait d'un inhibiteur incroyablement puissant, stoppant l'activité de certaines protéases à des concentrations aussi basses que 0,3 nanomolaire. Lorsqu'ils ont testé les nouveaux variants créés par les enzymes modifiées, la plupart ont montré une activité faible ou nulle. Cependant, un variant spécifique, qui contenait la liaison carbone-oxygène, a montré une capacité modeste à inhiber une enzyme appelée enzyme de conversion de l'angiotensine, qui est une cible pour les médicaments contre l'hypertension. Bien que cette activité soit bien plus faible que celle du produit naturel, elle a démontré que les nouveaux squelettes chimiques pouvaient toujours interagir avec des cibles biologiques.

L'étude conclut que l'enzyme ApyO est bien plus adaptable que ce que l'on pensait, capable de former différents types de ponts chimiques selon les détails subtils de son substrat. Cette flexibilité suggère que les scientifiques pourraient être en mesure d'élaborer ces enzymes pour créer une bibliothèque diversifiée de composés macrocycliques, chacun possédant des formes et des propriétés chimiques uniques. Bien que les nouveaux variants testés dans cette étude n'aient pas immédiatement surpassé le produit naturel en termes de puissance, la capacité de générer des isomères de constitution — des molécules possédant les mêmes atomes mais des connexions différentes — ouvre une nouvelle voie pour explorer l'espace chimique. Le travail souligne que les règles du réticulation enzymatique ne sont pas fixes ; elles résultent d'une interaction dynamique entre l'enzyme et la géométrie spécifique du peptide qu'elle modifie, offrant une voie prometteuse pour la conception future de thérapies basées sur les peptides.