Allostérie Ancestrale – AlloAnc

Le projet AlloAnc propose d'exploiter la résurrection de séquences ancestrales afin de comprendre la genèse d’un des principaux mécanismes de régulation de l’activité des enzymes : la régulation allostérique.
En permanence, une protéine explore une série de conformations, qui sont dictées par son panorama énergétique, en contrôlant aussi bien la distribution des populations que la cinétique des transitions. Ces conformères diffèrent en termes de structure et de fluctuations dynamiques autour d’un minima local. L’apparition d’une substitution en acide aminé dans la séquence protéique modifiera son paysage énergétique, et donc les vitesses d’inter-conversion entre conformères ainsi que la distribution de ceux-ci. Selon l’importance de la modification induite, la mutation sera, ou non, conservée par la sélection Darwinienne. La détermination du potentiel évolutif de chaque remplacement d'acide aminé, et la mesure de l’ampleur de l'impact produit sur le paysage conformationnel protéique, sont cruciaux pour comprendre l'histoire évolutive des protéines et mieux comprendre leur fonctionnement.
Le projet AlloAnc s’inscrit dans ce cadre, et propose une synergie entre des méthodologies novatrice : la résurrection de séquence ancestrale in silico et in vitro, la caractérisation biochimique et structurale de ces ancêtres ainsi que l’échantillonnage de leur panorama conformationel, et dynamique. Cette approche nous permettra de reconstruire la genèse de la régulation allostérique dans une superfamille modèle. Cette superfamille est divisée en trois groupes enzymatiques : les Lactates déshydrogénases (LDH) qui sont en grande majorité allostériques et les hydroxyacides déhydrogénases (HincDH) ainsi que les Malate déshydrogénases (MalDH) qui ne le sont pas. La régulation allostérique chez les LDH est la conséquence de la liaison d’un effecteur allostérique: le fructose bis-phosphate (FBP) qui est un composé intermédiaire de la glycolyse et qui active fortement l’efficacité catalytique des LDH. Les LDH modernes se distinguent des MalDH par trois propriétés principales: un changement fonctionnel, une capacité de régulation et des propriétés de flexibilité accrues. Notre hypothèse est que la naissance de la propriété allostérique des LDH est le fruit de mutations critiques accumulées en dehors du site catalytique et qui vont distordre celui-ci (sous l’effet d’une trop grande flexibilité) avec comme conséquence l’abolition de la fonctionnalité. Néanmoins, cette perte de fonction est également un moyen d’en assurer son contrôle si d’autres mutations sont capables de restaurer la bonne géométrie du site catalytique en favorisant, par exemple, la fixation d’un ligand qui va diminuer la flexibilité de l’enzyme et restaurer son activité. Ceci est le principe même de la régulation allostérique par activation. Dans le cas des LDH, des substitutions, en autorisant la fixation du FBP, ont pu créer les conditions d’un équilibre entre formes inactives (trop flexible) et actives (moins flexible) au sein d’une molécule unique.
En combinant diverses méthodes, AlloAnc retracera la trajectoire évolutive ayant conduit aux LDH actuelles et caractérisera les ancêtres occupant des positions clés afin de reconstruire les principales étapes de la genèse de l’allostérie. Nous déterminerons donc l’ordre de fixation des substitutions en acides aminés et mesurerons l’amplitude de leurs effets dynamique dans un processus évolutif. Ceci nous permettra non seulement de décortiquer les effets locaux des mutations, mais aussi de comprendre la propagation de leurs effets à longues distances. Les résultats obtenus permettront des avancées académiques majeures et offrirons de nouvelles perspectives thérapeutiques. En effet, grâce à de l’échantillonnage à haut débit, nous criblerons de potentiels inhibiteurs de type allostériques sur différentes LDH ancestrales et modernes et nous analyserons les résultats au regard des structures dynamique obtenues par simulation numérique.