Structure tridimensionnelle du domaine catalytique des MMPs

La structure tridimensionnelle de la proMMP-2 résolue en 1999 par le groupe de K. Tryggvason (Morgunova et al., 1999) illustre l’organisation de cette famille de protéines en plusieurs domaines, chacun présentant une structure propre (Figure IV.2).

Figure IV.2 : Structure cristallographique de la forme entière de la pro-MMP-2 humaine (code PDB 1CK7) montrant à l’extrémité N-terminale le pro-peptide (rose), le domaine catalytique (cyan), le domaine fibronectine (vert) spécifique aux MMP-2 et -9, et le domaine hémopexine (jaune) à l’extrémité C-terminale ; l’atome de zinc catalytique est signalé par une

sphère (orange) au sein du domaine catalytique (Morgunova et al., 1999).

A ce jour, les structures du domaine catalytique des MMP-1, -2, -3, -7, -8, -9, -10, -11, - 12, -13, -14 et -16 ont été résolues et déposées dans la PDB. Les domaines catalytiques des différentes MMPs possèdent une forte homologie structurale. En effet, la superposition des chaines principales des domaines catalytiques des différentes MMPs donne un RMSD de 0,7 à 0,8 Å, illustrant la topologie très conservée des sites actifs de ces enzymes. Les domaines catalytiques sont caractérisés par la présence d’un sillon qui s’étend de manière horizontale à la surface de la protéine et qui sépare le sous-domaine inférieur de petite taille du sous-domaine supérieur de taille plus large (Figure IV.3). Ce sillon contient le site actif des MMPs et accueille les différents substrats et inhibiteurs de ceux-ci. Le site actif est organisé en plusieurs sous-sites (S3, S2, S1, S1’, S2’, S3’) dont le sous-site S1’ correspondant à une cavité hydrophobe et

profonde et contrôlant la spécificité des substrats et inhibiteurs vis-à-vis des MMPs (Figure IV.4).

Figure IV.3 : Structure 3D du domaine catalytique de la MMP-1 (Code PDB 1SU3), représentée en mode cartoon, avec les différents éléments structuraux (feuillets ! sI à sV, hélices " hA à hC et boucles en gris), les résidus les plus importants pour la fonction représentés en bâtons (les 3 His et le Glu en jaune) et pour la structure (Segment P238-S239-Y240 en vert et R214 en

mauve) ainsi que les ions Zn2+ (orange) et Ca2+ (bleu) représentés par des sphères.

Figure IV.4 : Structure cristallographique du domaine catalytique de la MMP-9 en complexe avec un inhibiteur phosphinique (code PDB 2OVZ) montrant le sous-site S1’. La MMP-9 est représentée en mode surface de couleur cyan (à gauche) et l’inhibiteur phosphinique est représenté en mode bâtons de couleur jaune (à droite) ; les atomes de Zn sont représentés en

sphères de couleur orange.

Le sous-domaine supérieur du domaine catalytique est constitué de 5 feuillets ! (sI à sV), 2 hélices " (hA et hB) et 3 boucles en surface (boucle S, boucle sV-hB et boucle de spécificité). L’hélice hB située au niveau du site actif contient deux histidines (His218 et His222) du motif de chélation du zinc catalytique, ainsi que le Glu219 participant à la réaction d’hydrolyse des substrats par les MMPs (nomenclature correspondant à la MMP-1). La 3ème

histidine (His228) liant le Zinc se trouve à la sortie de cette hélice hB. Ces 3 histidines sont strictement conservées à ces positions précises dans toutes les MMPs. En position 236, une Met strictement conservée, caractéristique de la famille des metzincines, forme une structure locale appelée « Met-turn » servant de base afin de supporter la structure autour du zinc catalytique (Bode et al., 1993).

Le sous-domaine inférieur est constitué de l’hélice " hC et de la boucle de spécificité, également appelée boucle S1’. Cette boucle de spécificité délimite la partie inférieure du sous-

site S1’ et le segment Pro238-Ser239-Tyr240 (cette dernière étant strictement conservée dans

toutes les MMPs) tapisse la surface extérieure de l’entrée de ce sous-site.

Selon les MMPs, de légères différences existent dans la composition des résidus constitutifs du site actif, notamment au niveau du sous-site S1’. En particulier, le résidu en position 214 dans la

MMP-1 joue un rôle critique dans la taille de la cavité S1’ qui varie en fonction des MMPs. La

MMP-1 est caractérisée par une cavité fermée et peu profonde comparée aux autres MMPs (Figure IV.5), du fait de la présence d’un résidu Arg en position 214 au niveau de l’hélice hB qui se projette dans la cavité S1’ en direction du zinc catalytique et qui ferme la cavité. Dans

une position équivalente, la MMP-7 possède un résidu Tyr qui a également pour conséquence la fermeture de la cavité. Dans la MT3-MMP (MMP-16), cette cavité est limitée par la présence de la chaine latérale du résidu Met271 au niveau de la boucle de spécificité, qui pointe vers la poche et en réduit la profondeur ; ce résidu étant lui-même bloqué par les résidus Ile263 et Gln269. En revanche, le même résidu Met à cette même position (Met264) dans la MT1-MMP (MMP-14) pointe vers l’extérieur de la cavité donnant lieu à une cavité très profonde et ouverte par le bas (Lang et al., 2004).

Figure IV.5 : Comparaison entre les cavités S1’ des différentes MMPs. Les MMPs sont représentées en mode « mesh » de couleur gris, les cavités sont délimitées par un contour rouge et le zinc catalytique est représenté en mode sphère de couleur noire. De gauche à droite et de haut en bas : MMP-1 (code PDB 1HFC), MMP-7 (1MMP), MMP-8 (1JAN), MMP-13 (2E2D),

MMP-3 (1HFS) et MMP-14 (1BQQ).

Outre les différences qui existent au niveau de la géométrie de la cavité S1’ en fonction des

MMPs, des différences existent également au niveau de la boucle de spécificité S1’. En effet,

les séquences et les tailles de cette boucle sont variables selon les MMPs. Les positions de 241 à 248 et la position 250 (numérotation correspondant à la MMP-3) ont une composition très différente et la taille pour cette région non conservée varie entre 7 et 10 résidus (Figure IV.6). Par ailleurs, la boucle de spécificité présente également une très grande flexibilité en solution (Figure IV.7). Ces différences en termes de taille, de séquence mais aussi de mobilité de cette boucle contribuent à la spécificité des différentes MMPs pour leurs substrats et leurs inhibiteurs.

Figure IV.6 : Alignement de séquences correspondant aux pro-domaines et domaines catalytiques des MMP. La numérotation correspond à la pré-proMMP-1. Les différents éléments structuraux sont indiqués en dessous des séquences : les hélices H1 à H3 correspondent au pro-domaine, les feuillets sI à sV et les hélices hA à hC correspondent au domaine catalytique. Les résidus

strictement conservés sont indiqués par un fond bleu et les sites hautement conservés par un fond rouge. Z1 et Z2 indiquent les sites de liaison au zinc catalytique et structural respectivement, C1, C2 et C3 se rapportent aux sites de liaison des ions calcium.

Figure IV.7 : Structures tridimensionnelles du sous-site S1’ du domaine catalytique des MMPs. A gauche : Structure 3D de la MMP-1 représentée en mode surface (gris) montrant la cavité S1’ fermée par Arg214 (rose) et la paroi extérieure de la

cavité formée par le segment PSY (vert). A droite : Superposition des structures 3D des domaines catalytiques de plusieurs MMPs montrant la grande variabilité de la boucle S1’.