Des molécules de peptides cycliques d'origine fongique appelées cyclosporines ont été découvertes dans les années 1970, et la cyclosporine A est rapidement devenue un médicament important en raison de son activité immunosuppressive. Les détails des réactions biochimiques impliquant la cyclosporine ont été élucidés au début des années 1990, mais certains aspects du comportement de cette molécule soulèvent encore des questions. L'enquête a débuté dans le laboratoire de résonance magnétique nucléaire (dirigé par le professeur Vladimir Klochkov) à l'Université fédérale de Kazan en 2008 et était principalement consacrée aux propriétés physico-chimiques de la cyclosporine A (CsA). Récemment, nous avons étendu l'étude à des variantes de cyclosporine de composition différente.
Les cyclosporines productrices de champignons existent en deux stades de reproduction: les champignons du sol asexué desquels la cyclosporine a été initialement extraite et les champignons parasitaires sexuels proches d'un genre Cordyceps connu. Contrairement à la plupart des polypeptides synthétisés sur les ribosomes en suivant les informations directement codées dans l'acide nucléique, les cyclosporines sont produites sur une enzyme spéciale, la cyclosporine synthétase. Ce processus est moins précis, par conséquent le produit final est généralement un mélange de plusieurs composés avec des compositions chimiques légèrement différentes.
Ces petites variations ont cependant un effet dramatique sur le comportement du peptide utilisé comme médicament. Seul le CsA s'est révélé être un immunosuppresseur efficace pour aider les personnes transplantées. Deux questions se posent immédiatement: quelle est la particularité clé de la CsA, et l'immunosuppression est-elle la seule utilisation que l'on puisse trouver dans les cyclosporines?
C'est un fait bien établi que l'activité d'un composé biochimique dépend fortement de sa structure moléculaire tridimensionnelle. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) offre la possibilité de reconstruire la structure d'une molécule telle qu'elle existe dans une solution ou dans un milieu mimant la membrane. Nous avons constaté que différentes cyclosporines ont des structures similaires dans des environnements similaires, comme une solution dans du chloroforme ou un complexe avec des micelles de phospholipides servant de membranes modèles.
La cyclisation des peptides leur confère des propriétés uniques. Dans le cas de la cyclosporine, nous avons une raison supplémentaire pour un comportement moléculaire inhabituel: absence de plusieurs protons amides, qui dans les peptides typiques peuvent former des liaisons hydrogène et ainsi stabiliser la structure. La forme de la molécule de cyclosporine est plus rigide par rapport aux oligopeptides linéaires en raison de la cyclisation, mais en même temps, elle reste relativement flexible. Cette flexibilité est observée dans les études RMN comme la coexistence de plusieurs formes moléculaires de cyclosporine dans les solvants polaires. Parmi toutes ces conformations, une seule peut être active en tant que médicament, et donc l'équilibre conformationnel influence l'efficacité médicale d'un composé. Nous avons estimé que la barrière énergétique divisant les conformères était de l'ordre de 70-80 kJ / mol, ce qui révèle la nature de la transformation: rotation des liaisons peptidiques de 180 °. Cependant, certaines variantes de la cyclosporine présentent un comportement inattendu: la cyclosporine E (CsE) s'est révélée rigide dans un solvant polaire DMF, tandis que la CsH existe en tant que conformères multiples dans le chloroforme apolaire, contrairement à toutes les autres variantes étudiées.
La simulation de la dynamique moléculaire révèle une flexibilité de la chaîne peptidique à l'échelle nanoseconde, ce qui n'est pas observé directement par RMN. La simulation des molécules de cyclosporine a confirmé que la molécule CsE est plus rigide que les autres variantes étudiées (A, B, C, D, H). Le résultat le plus intéressant obtenu jusqu'à présent est que ces particularités sont en corrélation avec l'action biochimique des cyclosporines dans les objets vivants. Des expériences menées par un co-auteur de l'Université d'État de Mari (Mikhail Dubinin) ont révélé que les cyclosporines B, C et D inhibaient l'ouverture des pores dans les mitochondries du foie de rat – effet qui a été observé plus tôt en présence de CsA. Cependant, CsE n'a pas montré cette activité biologique.
Tout d'abord, cette recherche met en lumière la relation structure-activité ou, au sens large, la corrélation structure-dynamique-activité. La conformation de la molécule peut être un élément crucial dans certaines interactions, ce qui est prouvé par l'incapacité de la plupart des cyclosporines autres que CsA à participer à la réponse immunitaire: la substitution d'un seul acide aminé empêche l'interaction nécessaire avec la protéine cible, la cyclophiline. En revanche, cette substitution s'est avérée sans importance pour l'interaction avec le complexe des pores mitochondriaux, dans laquelle d'autres facteurs doivent être pris en compte: la flexibilité générale de la chaîne et la capacité de la molécule à pénétrer à travers la membrane cellulaire des phospholipides.
Deuxièmement, la possibilité de réguler l'activité mitochondriale est elle-même d'un grand intérêt, car elle permet de trouver un moyen de traiter les maladies liées au dysfonctionnement mitochondrial. La cyclosporine A ne convient pas à ce rôle en raison de son effet sur le système immunitaire, mais peut-être que ses congénères de la vaste famille des cyclosporines pourraient être utiles.
Au vu des résultats récents, la recherche peut être poursuivie dans plusieurs directions. Plus de variantes de cyclosporine peuvent être caractérisées par RMN et dynamique moléculaire pour révéler des éléments de composition (par exemple, la présence de protons amides supplémentaires dans la chaîne peptidique) responsables de différentes propriétés. Les structures des peptides enfouis à l'intérieur d'une membrane modèle présentent un intérêt particulier, car de nombreux phénomènes biochimiques se produisent dans cet environnement. Enfin, les études sur l'influence des cyclosporines sur les systèmes vivants tels que les mitochondries doivent également être poursuivies.
La source:
Référence de la revue:
Efimov, S.V., et al. (2020) Comparaison des variantes de cyclosporine B – E en fonction de leurs propriétés structurelles et de leur activité dans les membranes mitochondriales. Communications en recherche biochimique et biophysique. doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.03.184.