La structure tridimensionnelle de la proMMP-2 résolue en 1999 par le groupe de K. Tryggvason illustre l’organisation de cette famille de protéines en plusieurs sous-domaines, chacun présentant une structure propre. Dans la séquence de cette MMP, en partant du résidu en N-terminal vers le résidu en C-terminal, on distingue : le prodomaine, le domaine catalytique, l’insertion du domaine fibronectine, spécifique aux MMP-2 et -9, et enfin le domaine hémopexine (figure 1.4) ; l’atome de zinc catalytique est signalé par une sphère jaune apparaissant au sein du domaine catalytique. Cette structure a permis de comprendre comment l’insertion du domaine fibronectine peut se faire sans perturber l’organisation des domaines catalytique et hémopexine (Morgunova et al., 2002). Cette remarque est renforcée par la comparaison de cette structure avec des structures de MMP contenant le domaine catalytique sans insertion fibronectine de type II et le domaine hémopexine.
a) Le prodomaine :
Comme le montre la figure 1.4, ce domaine recouvre le domaine catalytique et interdit ainsi l’accès d’un substrat au site actif. Cette structure explique pourquoi l’activation de l’enzyme requiert le clivage du prodomaine. Dans toutes les séquences de MMP, un motif PRUCUGXPD hautement conservé figure dans le prodomaine. Dans ce motif, l’analyse structurale de la proMMP-2 indique que le résidu cystéine, par l’intermédiaire du groupe thiol, interagit directement avec l’atome de zinc du site catalytique. Ce résultat est en accord avec les données biochimiques indiquant que des agents chimiques capables de réagir avec les groupes thiols peuvent activer les MMP. L’activation des MMP par des protéases comme la plasmine, la furine ou bien des formes actives de MMP implique en général un clivage dans une zone non structurée du prodomaine, conduisant à
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Figure 1.4 :U Structure tridimensionnelle éclatée de la proforme de la MMP-2 (PDB : 1GXD) (Morgunova et al., 2002), illustrant en bleu le prodomaine, en rouge le domaine catalytique, en vert le domaine de type II de fibronectine et en orange le domaine hémopexine.
fragiliser l’interaction du résidu cystéine avec l’atome de zinc. Une fois cette interaction rompue, l’élimination complète du prodomaine pourrait être réalisée par autolyse.
b) Le domaine catalytique :
Comme l’illustre la figure 1.5, la structure de ce domaine se présente sous une forme de sphère compacte, composée des trois hélices α et de cinq feuillets β. Outre ces éléments de structure secondaire, la stabilité de ce domaine est aussi assurée par la présence de cations interagissant avec des résidus portés par des boucles situées à la surface de la protéine. On retrouve dans toutes les MMP, un atome de zinc additionnel et un atome de calcium, puis selon la nature des MMP, un deuxième voire, dans certains cas, un troisième atome de calcium dans les structures des différents domaines catalytiques. A ce jour, la structure du domaine catalytique des MMP suivantes a été résolue : MMP1, 2, 3, 7, 8, -9, -10, -11, -12, -13, -14, -16.
c) Atome de zinc et catalyse :
La présence de l’atome de zinc dans le site catalytique est assurée par son interaction avec trois résidus histidines, dont deux se trouvent portés sur une
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Figure 1.5 :U Représentation du domaine catalytique archétype des MMP. Il est constitué de 3 hélices α (en rouge) et de cinq feuillets β (en jaune).
des hélices α. Séparés par trois résidus dans la séquence signature strictement conservée dans la plupart des protéases à zinc (UHUEXXUHU), ces deux résidus histidines sont situés sur un même côté de l’hélice α, dans une orientation idéale pour interagir avec l’atome de zinc du site catalytique. La troisième histidine est portée par un segment situé en C-terminal de l’hélice α du site actif. Celui-ci, au sortir de l’hélice, effectue un repliement en un tournant de type β-1,4, permettant une projection optimale du résidu histidine vers l’atome de zinc. La géométrie de coordination de l’atome de zinc est du type tétraédrique, trois positions étant occupées par les trois résidus histidines, la quatrième position étant occupée soit, dans le cas des proformes, par le résidu cystéine conservé du prodomaine, soit, dans le cas des formes actives, par une molécule d’eau participant à la réaction d’hydrolyse du substrat. Dans la représentation standard de la structure du domaine catalytique des MMP, la chaîne peptidique de l’hélice α du site actif progresse de la droite vers la gauche, ainsi dans cette direction, le résidu venant juste après la première histidine correspond au résidu glutamate du motif UHEUXXUHU.
Sur la figure 1.6, il apparaît clairement que, dans ce contexte structural, ce résidu glutamate pointe aussi vers l’atome de zinc, plus précisément
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Figure 1.6 :U Environnement structural de l’atome de zinc catalytique au sein du site actif des MMP.
légèrement au-dessus de celui-ci, vers la molécule d’eau interagissant avec l’atome de zinc. Le rôle attribué à ce résidu glutamate est d’agir comme un accepteur/donneur de proton lors de la réaction enzymatique. Le mécanisme d’hydrolyse couramment admis est le suivant : l’interaction de la molécule d’eau via son oxygène avec l’atome de zinc induit une polarisation de cette molécule favorisant la formation d’un ion OHP
-P
. La formation de cette espèce est favorisée par le départ du proton de la molécule d’eau vers le résidu glutamate, dont la fonction carboxylate de sa chaîne latérale passe de l’état COOP
-P
à l’état COOH. Dans le même temps, le substrat à hydrolyser s’est positionné dans le sillon du site actif de telle manière que le carbonyle de la liaison peptidique scissile puisse aussi interagir avec l’atome de zinc. L’atome de zinc voit donc son état de coordination passer de l’état tétraédrique à l’état pentacoordonné. Cette structure transitoire permet l’attaque nucléophile du carbone du groupe carbonyle, polarisé par son interaction avec le zinc, par l’ion OHP
-
P
(schéma 1.1). Cette réaction engendre un état de transition caractérisé par le passage du carbone du groupe carbonyle de la liaison peptidique clivée d’un état sp2 à un état sp3. Cet état de transition est stabilisé momentanément par l’interaction avec l’atome de zinc et le résidu glutamate. Après rupture de la liaison C-N de la liaison peptidique, le proton porté par le résidu glutamate reprotone l’azote formant ainsi une fonction amine libre (Whittaker et al., 1999).
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Schéma 1.1 :U Mécanisme réactionnel d’une MMP (en noir) pour un substrat (en bleu) illustré par le cas de la MMP-8.