Des expériences sur les neutrons mettent fin à un débat de 40 ans sur la conception de médicaments à base d’enzymes

En seulement deux expériences sur les neutrons, les scientifiques ont découvert des détails remarquables sur la fonction d’une enzyme qui peut aider à la conception de médicaments contre les cancers agressifs.

Les scientifiques, travaillant au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie, ont utilisé des neutrons à la source de neutrons de spallation et au réacteur isotopique à haut flux pour identifier la chimie exacte à l’échelle atomique de la sérine hydroxyméthyltransférase, ou SHMT, une enzyme métabolique nécessaire à la division cellulaire.

Le cancer détourne les réactions chimiques dans la voie métabolique qui implique la SHMT et d’autres enzymes critiques et transforme l’ensemble du processus en un train incontrôlable, reproduisant rapidement les cellules cancéreuses. La conception d’un inhibiteur pour bloquer la fonction de l’enzyme, qui tombe tôt dans la voie métabolique, pourrait faire dérailler les tentatives du cancer de la dépasser. Les résultats ont été publié dans Sciences chimiques.

« Je pense que les neutrons seront très recherchés dans la conception future de médicaments basés sur la structure », a déclaré Victoria Drago d’ORNL, auteur principal et biochimiste travaillant en collaboration avec Andrey Kovalevsky, un éminent scientifique en R&D d’ORNL, qui utilise la diffraction des neutrons pour éclairer les structures des protéines.

« Cet article est un bon exemple de la rapidité avec laquelle les neutrons peuvent produire des informations qui font l’objet de débats depuis très longtemps. Les études sur la fonction SHMT et son mécanisme catalytique remontent au début des années 1980. »

Le mécanisme catalytique exact et les rôles des différents résidus d’acides aminés dans le site actif de l’enzyme font l’objet de débats depuis des décennies. Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont observé qu’un seul résidu d’acide aminé, un glutamate, régule les réactions chimiques de cette enzyme.

« Les données sur les neutrons montrent clairement que le glutamate, qui est un acide, contient un proton », a déclaré le co-auteur Robert Phillips, professeur de chimie à l’Université de Géorgie. « On pourrait s’attendre à ce qu’il ait déjà cédé son proton. Mais comme il est capable de transporter ce proton, il peut le transférer dans les deux sens. Il agit donc comme un acide et une base. »

Dans une voie connue sous le nom de métabolisme monocarboné, cette enzyme agit à l’intérieur des mitochondries d’une cellule, ou producteur d’énergie. Elle convertit l’acide aminé sérine en un autre acide aminé appelé glycine en transférant un atome de carbone au tétrahydrofolate, une forme réduite de l’acide folique. Cette réaction produit des éléments de base pour la synthèse des acides nucléiques, tels que l’ADN et l’ARN, et d’autres molécules biologiques essentielles à la division cellulaire. Le glutamate contrôle ce processus.

Dans une expérience antérieure, l’équipe a combiné deux techniques, la cristallographie aux neutrons et aux rayons X à une température ambiante physiologiquement pertinente, pour comprendre la SHMT et cartographier sa structure protéique avant son interaction avec le tétrahydrofolate. Dans l’expérience actuelle, les chercheurs ont capturé l’enzyme à l’étape suivante, établissant ainsi la certitude quant au fonctionnement réel du mécanisme de réaction de l’enzyme.

Peindre le tableau avec des neutrons

Les neutrons voient les éléments légers, comme l’hydrogène, et les rayons X voient les éléments plus lourds, comme le carbone, l’azote et l’oxygène. La diffraction des neutrons au SNS et au HFIR, la diffraction des rayons X en interne à l’ORNL et la diffraction des rayons X synchrotron à la source de photons avancée du laboratoire national d’Argonne ont fourni les informations dont l’équipe avait besoin pour caractériser définitivement la réaction chimique de l’enzyme.

« Les neutrons nous permettent de voir les atomes d’hydrogène, et l’hydrogène est le moteur de la chimie », explique Drago. « Les enzymes sont constituées à 50 % d’atomes d’hydrogène. En termes d’électrostatique, l’hydrogène porte également une charge positive, qui détermine l’environnement de l’enzyme. Une fois que vous avez un cristal qui diffracte les neutrons, vous avez tout ce dont vous avez besoin. Vous voyez les positions où se trouvent les hydrogènes et, tout aussi important, les positions où il n’y a pas d’hydrogène. Vous obtenez une vue d’ensemble. »

Comme le montre l’animation, les mitochondries des cellules cancéreuses surproduisent l’enzyme SHMT, un tétramère construit à partir de quatre chaînes peptidiques identiques, ou protomères, représentées en gris. Le SHMT fonctionne en utilisant du pyridoxal-5′-phosphate, lié de manière covalente au SHMT, et du tétrahydrofolate, représentés respectivement en or et en violet.

Le tétrahydrofolate agit comme un substrat qui se lie aux sites actifs des quatre protomères. Les atomes d’hydrogène, représentés en vert clignotant, révèlent le mécanisme catalytique exact et les rôles de divers résidus d’acides aminés dans les sites actifs de l’enzyme. Une fois que l’enzyme libère du tétrahydrofolate, un inhibiteur, représenté en bleu, pourrait être conçu pour bloquer d’autres réactions chimiques sur ces sites, arrêtant ainsi la voie métabolique à un seul carbone dans les cellules cancéreuses.

« L’emplacement des atomes d’hydrogène détermine les états de protonation de groupes chimiques spécifiques à l’intérieur des sites actifs de l’enzyme », a déclaré Kovalevsky. « Ils fournissent ainsi des informations sur la distribution de charge électrique, ou électrostatique. Ces connaissances sont cruciales pour concevoir des inhibiteurs à petites molécules qui se lieraient à la SHMT, remplaçant ainsi le tétrahydrofolate et stoppant la fonction de l’enzyme. »

Les cellules contiennent des milliers d’enzymes qui fonctionnent comme des catalyseurs et accélèrent les réactions biochimiques nécessaires aux fonctions corporelles, de la respiration à la production d’hormones en passant par la fonction nerveuse. Les enzymes permettent également de stocker des substances chimiques qui ciblent des processus spécifiques.

D’autres enzymes de la voie métabolique à un seul carbone sont déjà des cibles bien connues pour les médicaments contre le cancer tels que le méthotrexate et le fluorouracile. Cependant, la SHMT intervient plus tôt dans cette voie, offrant ainsi la possibilité de stopper le cancer plus tôt.

Mais les difficultés du traitement du cancer sont en partie liées à ses attaques furtives sur les processus métaboliques. Contrairement à la résistance aux médicaments dans les maladies infectieuses, si une voie ne fonctionne pas bien, le cancer réajuste d’autres processus métaboliques pour surproduire des cellules cancéreuses.

« Maintenant que nous connaissons les détails atomiques du SHMT, nous pouvons informer sur la conception d’un inhibiteur pour cibler cette protéine spécifique dans le cadre d’une thérapie combinée », a déclaré Kovalevsky.

« Si l’on compare cela au traitement des maladies infectieuses, c’est beaucoup plus difficile, car dans la chimiothérapie contre le cancer, on cible généralement ses propres protéines, ce qui explique les effets secondaires chez les patients. Dans les maladies infectieuses, les protéines ciblées appartiennent aux virus ou aux bactéries. Mais dans le cas du cancer, il faut tuer ses propres cellules. L’idée ici est de tuer le cancer plus tôt et d’avoir moins d’effets sur le patient. »

Accélérer le rythme de la découverte

L’équipe a utilisé des neutrons sur l’instrument MaNDi du SNS et sur l’instrument IMAGINE du HFIR pour ses recherches. Le récent projet Proton Power Upgrade de l’ORNL a permis d’ajouter des faisceaux plus puissants pour tous les instruments du SNS. Des faisceaux de protons plus puissants signifient plus de neutrons. Plus de neutrons signifient des temps de collecte de données plus courts avec des échantillons plus petits, ce qui accélère les réponses qui aident les scientifiques à concevoir des médicaments plus intelligents pour traiter les maladies.

« La recherche de découverte est absolument essentielle », a déclaré William Nelson, directeur du Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center de l’université Johns Hopkins, qui n’était pas l’auteur des deux études menées par l’ORNL. « Nous nous rapprochons de plus en plus du moment où, avec l’aide de l’IA, nous serons capables de séquencer un gène dans le cancer d’une personne, de prédire à quoi ressemblerait la structure de la protéine et de fabriquer un médicament à insérer dans le gène. Cela fonctionnera très bien et nous le ferons en une heure et demie. »

« Mais nous n’en sommes pas encore là. Plus nous en saurons sur la structure réelle des protéines, sur la structure chimique et sur la façon dont les éléments interagissent, mieux nous serons en mesure de former des modèles d’IA à prédire des choses que nous ne connaissons pas immédiatement. »