Classification du domaine à trois doigts au sein du groupe des petites protéines riches en ponts disulfure

La classification des petites protéines riches en ponts disulfure est basée sur leurs ponts : soit selon leur positionnement dans l’espace ((Harrison and Sternberg, 1996), (Mas et al., 2001), (Cheek et al., 2006)), soit selon leur appariement dans la séquence ((Gupta et al., 2004), (Chuang et al., 2003)).

En analysant les structures disponibles des petites protéines à ponts disulfures, Harisson et Sternberg ont identifié un motif structural qu’ils ont baptisé « disulfide β-cross » ((Harrison and Sternberg, 1996)) (Figure 10). Ce motif est composé de deux cystines dont chacune des cystéines C-terminales appartient à un brin β d'un même « β-hairpin ». Dans ce motif, l’appariement des ponts est croisé dans la séquence (Figure 9 C). Les auteurs ont définit la chiralité de cette structure de la manière suivante : dans certaines familles de protéines, les segments contenant les cystéines Cys2N et Cys2C forment une hélice avec pas à droite en passant par Cys1C (Figure 10 A) ; dans le cas des protéines trois doigts, ces mêmes segments forment une hélice à pas à gauche (Figure 10 B).

Ils ont souligné l’agencement particulier des ponts 1, 2 et 4 qui sont regroupés dans l’espace (Figure 9 B), on parle alors de « cystine stacking ». Selon ces auteurs, les protéines trois doigts sont définies de la manière suivante : ce sont des protéines composées d’un « disulfide β-cross » et d’un « cystine stack » impliquant trois ponts.

Introduction

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Figure 9 : A : Structure cristallographique d’une protéine typique du repliement trois doigts. B : Organisation des structures secondaires et connectivité du repliement trois doigts. Notons ici que B1, B2, B4 sont parallèles alors que B3 adopte une orientation différente. C : Séquence en acides aminés et appariement des ponts de l’érabutoxine b.

Figure 10: A : Le « disulfide β-cross » comme définit par Harrisson et Sternberg ((Harrison and

Sternberg, 1996)). B : Quand les éléments du « β-cross » ont une connectivité gauche, le

croisement spatial des ponts disparaît, ils sont alors parallèles. I II III

A

B1 B2 B4 B3

B

RICFNHQSSQPQTTKTCSPGESSCYNKQWSDFRGTIIERGCGCPTVKPGIKLSCCESEVCNN B1 B2 B3 B4

C

Cys1 N Cys2 N Cys2 C Cys1 C Cys1 N Cys2 N Cys2 C Cys1 C

A

B

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Mas et al. ont développé une méthode automatique, appelée KNOT-MATCH afin de classer les protéines à pont disulfure en fonction de la topologie de leurs ponts. Le programme calcule un RMSD (Root Mean Square Distance) sur différentes combinaisons de ponts disulfure puis classe les protéines en fonction de cette mesure ((Mas et al., 2001)). Cette méthode a généré 13 classes de protéines . Dans les classes contenant les protéines trois doigts, trois ponts disulfure étaient systématiquement agencés comme les barreaux d’une échelle avec un RMSD inférieur à 2,5 Å. Cet agencement rappelle le « cysteine stacking » de Harrison et Sternberg. Cependant, tous les éléments de cette classe ne sont pas des protéines trois doigts. On trouve également des domaines dont la topologie est très différente tels que le « Nerve Growth Factor » ou les « Defensin ». Par conséquent, la méthode KNOT-MATCH n’est pas capable à elle seule de définir les limites du domaine trois doigts. Plus récemment Cheek et al. ont classé les 2945 petites protéines à pont disulfure apparaissant dans la banque de donnée PDB en 41 groupes((Cheek et al., 2006)). L’architecture des éléments de structure secondaire et la topologie furent utilisés comme critères de classification. Dans le cadre de cette classification, les protéines trois doigts furent classées dans un groupe appelé « Knottin-like II », l’expression « knottin-like » faisant directement référence au disulfide β-cross de Harrisson et Sternberg. Le groupe « knottin like » dans son ensemble représente 40% des structures des petites protéines à ponts disulfure. Il a été découpé en trois sous-groupes en fonction de la connectivité des éléments structuraux : dans le groupe « knottin-like II », les quatre demi-cystines (formant le « disulfide β-cross » de Harrison et Sternberg) sont localisées sur quatre éléments structuraux dont la connectivité est gauche. Cet agencement implique que le croisement des deux premiers ponts n’existe que dans la séquence (Figure 9 C) et non dans l’espace comme cela est représenté sur la Figure 10 A. Cependant le groupe des knottin-like II n’est pas uniquement composé de protéines à trois doigts mais regroupe également des protéines dont la topologie diffère comme les protéines hirudin-like ou le domaine N-terminal du « granulin-like repeat ». Par conséquent, les critères basés sur les ponts disulfure utilisés par Cheek et al. pour classer les petites protéines riches en ponts disulfure ne reflètent pas strictement l’organisation topologique des protéines à trois doigts. Dans le passé, les protéines à trois doigts ont été rapprochées d’une famille structurale adoptant une topologie de type « plant lectin like » (comme l’agglutinine de germe de blé par exemple) pour définir un repliement « toxin-agglutinin » ((Drenth et al., 1980)).

Toujours pour classer les protéines à ponts disulfure, la méthode de Chuang et al. s’appuie sur la connectivité des ponts dans la séquence. Une bonne corrélation entre la structure de ces protéines et leur profil d’appariement a été obtenu ((Chuang et al., 2003)) puis amélioré en ajoutant l’espace entre les cystéines comme paramètre supplémentaire ((Gupta et al., 2004)). Le nombre de ponts, leur connectivité et leur espacement ont été convertis en une série de nombres appelés « disulfide signature ». Les nombres ayant un rang impair dans la signature représentent le nombre de résidus compris entres les deux cystéines d’un pont; les nombres ayant un rang pair indiquent le nombre de résidus séparant les deux premières cystéines de deux ponts consécutifs dans la séquence (représentés en italique dans l’exemple ci-après). Par exemple la « disulfide signature » de l’erabutoxine a (Figure 9 C) est 21-14-24-26-11-12-5. Des distances mathématiques peuvent être aisément calculées à partir de ces signatures, permettant la comparaison et donc la classification des protéines à ponts disulfure. Quand on tient compte de cinq ponts disulfure, cette méthode est suffisamment efficace pour séparer et regrouper toutes les protéines trois doigts en un seul groupe. Mais lorsqu’on s’intéresse aux protéines à quatre ponts disulfure, le groupe des protéines trois doigts est contaminé par des protéines de la famille des protéines « Laminin EGF-like ». Ainsi, même si le profil d’appariement semble constituer le caractère le plus efficace pour classer les protéines à ponts disulfure, il est insuffisant pour définir la topologie à trois doigts.

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5.3 Déterminants structuraux conservés au sein de la famille des

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