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Première étude des galectines grâce à la cristallographie neutronique, étape vers de futurs traitements médicamenteux

Les principales caractéristiques de liaison d’une protéine de liaison au sucre, associée aux maladies cardiaques et au cancer du sein, ont été identifiées pour la première fois. Ces études ouvrent ainsi la voie au développement de futurs médicaments.

  • Les chercheurs ont mis en évidence pour la première fois des liaisons hydrogène dans le domaine de la reconnaissance des glucides de la galectine-3 (galectine-3C) à l’aide de la cristallographie neutronique.
  • Ces observations approfondies permettront le développement de médicaments pour le traitement de maladies telles que les maladies cardiaques, le cancer du sein et d’autres maladies inflammatoires.

Les galectines se fixent à d’autres protéines par l’intermédiaire des glucides présents à leur surface (protéines de liaison au sucre). Elles affectent ainsi toute une série de processus cellulaires associés à un certain nombre de maladies, y compris les maladies cardiaques et le cancer du sein, le cancer le plus répandu chez les femmes à travers le monde, avec 1,7 million de nouveaux cas diagnostiqués en 2012.
Comprendre comment les galectines se lient aux différents sucres et les distinguent peut aider à la conception de nouvelles molécules qui agissent comme inhibiteurs – bloquant le processus et limitant ainsi le développement de certaines maladies. Toutefois, les chercheurs ne sont qu’au début de la compréhension des modèles de liaison en jeu, les détails exacts des interactions entre les différents sucres et la protéine n’ayant pas encore été bien définis. Une connaissance détaillée des réseaux de liaisons hydrogène dans les complexes protéines-sucre est essentielle pour mieux asseoir les efforts de conception de nouveaux inhibiteurs de galectine efficaces.


Des experts en cristallographie neutronique et radiologique en provenance d’Europe et des États-Unis se sont associés afin de définir en détail les réseaux de liaison à l’hydrogène pour le domaine de la reconnaissance des glucides C-terminal de la galectine-3 (galectine-3C). Ce projet a réuni des scientifiques de l’Institut Laue-Langevin (ILL, France), de l’Université de Lund (Suède), de l’Oak Ridge National Laboratory (États-Unis) et du Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (Allemagne).


Jusqu’à présent, la compréhension de ces processus de liaison reposait en grande partie sur des suppositions, car il est extrêmement difficile de déterminer la position des atomes d’hydrogène à l’aide des rayons X, en raison de la faible diffusion de l’hydrogène avec cette technique. Même dans les expériences de cristallographie aux rayons X à très haute résolution, seule la moitié des atomes d’hydrogène les plus ordonnés ont pu être observés. La cristallographie neutronique, en revanche, est une technique idéale permettant de mettre en évidence les positions des atomes d’hydrogène et par conséquent la géométrie des liaisons hydrogène, puisque les atomes d’hydrogène diffusent des neutrons de la même grandeur que les autres éléments d’une protéine (carbone, azote, oxygène et soufre). Ainsi, les positions des atomes d’hydrogène sont détectées directement avec des neutrons plutôt que déduites des positions des atomes plus lourds comme dans la cristallographie aux rayons X.

Liaisons hydrogène au lactose dans le domaine de reconnaissance des glucides, localisé à l'extrémité C-terminale de la galectin-3, telles que mises en évidences  par cristallographie neutronique.
Les liaisons sont représentées ici par des lignes en pointillés bleues claires.

Les résultats de l’étude, publiés dans le Journal of Medicinal Chemistry, démontrent que les positions des atomes d’hydrogène et des réseaux de liaison hydrogène peuvent être mis en évidence grâce à la cristallographie neutronique, ce qui permet de mieux comprendre les interactions de liaison, même à des résolutions modestes. De plus, en déterminant la structure neutronique de la forme sans sucre de la galectine-3C (apo galectine-3C), les positions et orientations des molécules d’eau dans le site de liaison avant la liaison ont pu être révélées. Par conséquent, la comparaison des structures liées à l’apo galectine-3C et au sucre a permis à un groupe de scientifiques d’observer l’évolution des interactions au moment de la liaison et de mieux comprendre le rôle de l’eau dans le processus de liaison.


Matthew Blakeley, scientifique utilisateur de la ligne de faisceaux LADI-III à l’ILL et coauteur de l’étude, a déclaré: « La cristallographie neutronique est une technique puissante complémentaire de la cristallographie aux rayons X qui fournit des informations précises sur les positions des atomes d’hydrogène non observables par les seuls rayons X. L’association des deux techniques nous permet ainsi d’obtenir une image aussi précise que possible. »


Pour Derek Logan, professeur associé en biologie structurelle à l’Université de Lund et auteur principal de l’étude : « Cette expérience a permis de confirmer que le développement de médicaments contre les galectines s’est jusqu’à présent intelligemment concentré sur les molécules dérivées des sucres, car les interactions observées seraient difficiles à imiter avec d’autres formes moléculaires. Sachant cela, nous sommes maintenant en bien meilleure situation pour prédire précisément les principales interactions de liaison et pour aider nos confrères de l’industrie pharmaceutique à mettre au point de nouveaux médicaments. »

Élucidation des modèles de liaison hydrogène dans la galectine-3C sans ligand, liée au lactose et au glycérol par cristallographie neutronique en vue du développement de médicaments,
Francesco Manzoni, Johan Wallerstein, Tobias Schrader, Andreas Ostermann, Leighton Coates,Mikael Akke, Matthew P. Blakeley, Esko Oksanen and Derek T. Logan
J Med Chem. 2018 May 24;61(10):4412-4420. doi: 10.1021/acs.jmedchem.8b00081

 

Contact at ILL:Dr Matthew Blakeley