1H, 13C, and 15N chemical shift assignments of monomorphic Aβ1-40 at 100 kHz MAS in a diamond rotor

La maladie d'Alzheimer est une affection dévastatrice qui érode la mémoire et l'identité, affectant des millions de personnes à travers le monde. Au cœur de cette maladie se trouve un minuscule fragment de protéine appelé amyloïde-bêta. Dans des circonstances normales, ces protéines flottent sans danger dans le fluide entourant les cellules cérébrales. Cependant, dans la maladie d'Alzheimer, elles se replient incorrectement et s'agglutinent pour former de longues fibres rigides appelées fibrilles. Ces fibrilles s'accumulent en plaques qui sont la marque distinctive de la maladie. Bien que les scientifiques sachent depuis longtemps que ces plaques existent, comprendre exactement comment les protéines s'empilent a été difficile. Les protéines peuvent s'organiser de nombreuses façons différentes, un peu comme un ensemble de blocs de construction qui peuvent être assemblés en diverses structures. Cette variété, ou polymorphisme, rend difficile l'identification d'une forme unique et définitive, ce qui complique par la suite les efforts pour concevoir des médicaments qui pourraient stopper le processus. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont besoin d'un moyen de voir les atomes de ces fibres avec une clarté extrême, en cartographiant précisément l'emplacement de chaque pièce par rapport à ses voisines.

Une équipe de chercheurs a maintenant fourni une carte remarquablement claire d'une version spécifique de ces fibres amyloïdes. Ils se sont concentrés sur une forme de la protéine appelée Aβ1-40, qui est le type le plus courant trouvé dans le cerveau. Dans des travaux précédents, l'équipe avait déjà cultivé un échantillon très uniforme de ces fibres en laboratoire, garantissant que chaque fibre ressemble exactement à la même, contrairement aux mélanges désordonnés que l'on trouve souvent dans la nature. Ils avaient précédemment déterminé la structure atomique de cet échantillon uniforme à l'aide d'une technique appelée résonance magnétique nucléaire, qui agit comme un scanner sophistiqué pour détecter la position des atomes. Cependant, cette carte antérieure manquait une pièce cruciale du puzzle : les atomes d'hydrogène. L'hydrogène est l'atome le plus abondant dans ces protéines et il est très sensible à son environnement, ce qui en fait un excellent indicateur de la façon dont la protéine interagit avec d'autres molécules. Le défi était que les atomes d'hydrogène sont si nombreux et si proches les uns des autres qu'ils brouillent généralement le signal, les rendant impossibles à observer clairement dans une fibre solide.

Pour surmonter ce flou, les chercheurs se sont tournés vers une méthode qui fait tourner l'échantillon à une vitesse incroyablement élevée. Ils ont placé une infime quantité de fibres protéiques, pesant moins d'un demi-milligramme, dans un rotor fabriqué à partir d'un cristal unique de diamant. Ce rotor en diamant ne mesure que 0,7 millimètre de large, soit environ l'épaisseur d'un cheveu humain. En faisant tourner ce minuscule contenant en diamant à 100 000 rotations par seconde, les chercheurs ont pu moyenner les interactions confuses entre les atomes d'hydrogène. Cette rotation à haute vitesse, combinée à un champ magnétique puissant, leur a enfin permis de voir clairement les atomes d'hydrogène pour la première fois dans ce type spécifique de fibre. Grâce à cette installation, ils ont enregistré une série d'expériences traçant les connexions entre les atomes d'hydrogène et les atomes de carbone et d'azote au sein de la chaîne protéique.

Le résultat est une assignation détaillée des déplacements chimiques au niveau des résidus pour presque chaque atome d'hydrogène dans le cœur rigide de la fibre, qui s'étend du 15e au 40e bloc de construction de la protéine. Ils ont identifié avec succès 123 signaux d'hydrogène distincts, couvrant environ 90 % de la partie centrale stable de la fibre. Ils ont également réussi à observer seize signaux provenant de la queue flexible au début de la protéine, une région qui avait été difficile à observer auparavant car elle bouge trop pour être capturée par les anciennes méthodes. En plus de trouver ces positions d'hydrogène, les nouvelles données les ont aidés à localiser plusieurs signaux de carbone et d'azote qui manquaient à leurs cartes précédentes, particulièrement dans les chaînes latérales aromatiques et le segment N-terminal mobile. L'équipe a également identifié des contacts spécifiques entre les atomes de parties voisines de la protéine, confirmant que la nouvelle carte s'aligne parfaitement avec la structure qu'ils avaient déterminée précédemment.

Ce travail fait plus que simplement remplir les détails manquants ; il établit un point de référence précis pour la communauté scientifique. Parce que les fibres sont uniformes et que les mesures sont si détaillées, d'autres chercheurs peuvent désormais utiliser cette carte comme un standard pour comparer leurs propres échantillons. Si un autre laboratoire cultive des fibres dans des conditions légèrement différentes, il peut vérifier ses résultats par rapport à cette référence pour voir si la structure a changé. De plus, cette carte à haute résolution des atomes d'hydrogène fournit un outil sensible pour étudier comment d'autres molécules, telles que les anticorps ou les médicaments potentiels, pourraient se lier à la fibre. Puisque les atomes d'hydrogène sont très réactifs à leur environnement, tout changement causé par une molécule de liaison sera immédiatement visible dans les données. En fournissant cette vue claire, résidu par résidu, de la fibre amyloïde, les chercheurs ont donné au domaine une base solide pour comprendre comment ces structures se forment et comment elles pourraient être ciblées pour traiter la maladie d'Alzheimer.