Les premières structures Cryo-EM de l’enzyme de conversion de l’angiotensine déterminées

Les premières structures complètes de l’enzyme de conversion de l’angiotensine humaine (ECA) ont été déterminées par des chercheurs de l’Université du Cap (UCT) à l’aide de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM). L’ACE est une protéine régulatrice de la pression artérielle qui est essentielle à la santé cardiaque.

L’ACE est une cible clé pour le traitement de l’hypertension (tension artérielle élevée) et des maladies cardiovasculaires, car elle produit l’hormone angiotensine II, qui resserre les vaisseaux sanguins et augmente la pression artérielle. L’hypertension est un facteur de risque majeur d’insuffisance cardiaque, de crise cardiaque, de maladie rénale, d’accident vasculaire cérébral et de perte de vision. Il ne présente souvent aucun symptôme et est connu sous le nom de « tueur silencieux ».

Publié dans EMBO le 12 juillet 2022, les structures cryo-EM de l’ACE dans deux conformations différentes ont le potentiel d’améliorer la conception de médicaments pour les maladies cardiovasculaires – la principale cause de décès dans le monde.

La recherche faisait partie de START (Techniques synchrotron pour la recherche et la technologie africaines) – un projet financé par une subvention du Fonds de recherche sur les défis mondiaux, fournie par le Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC) du Royaume-Uni pour la recherche et l’innovation.

Le Dr Lizelle Lubbe, le Dr Jeremy Woodward, le professeur Ed Sturrock et le professeur Trevor Sewell ont réalisé l’étude. La protéine ACE a été produite dans le laboratoire Sturrock de l’UCT et préparée pour l’imagerie à haute résolution à l’unité de microscope électronique (EMU) de l’UCT. Il a été transporté au centre de bio-imagerie électronique (eBIC) du synchrotron national du Royaume-Uni, Diamond Light Source (Diamond) pour une imagerie à haute résolution. Le traitement des images a eu lieu au CSIR Center for High Performance Computing (CHPC) d’Afrique du Sud et à l’EMU.

La forme monomérique (une copie de la protéine) de l’ACE est intrigante car elle est composée de deux domaines structurellement similaires mais fonctionnellement distincts qui sont liés ensemble. Il existe également sous une forme dimère fonctionnellement pertinente (deux copies interagissant de la protéine) qui a été observée dans l’étude. La communication entre les différentes parties de l’ECA influence sa fonction et ses propriétés de liaison aux médicaments, qui sont vitales pour la conception de médicaments thérapeutiques.

« Cliniquement, les inhibiteurs de l’ECA sont recommandés comme l’un des traitements de première intention de l’hypertension, mais ils ciblent de manière non sélective les deux domaines de l’ECA et déclenchent ainsi des effets secondaires chez certains patients », déclare Sturrock, chercheur principal de l’étude. « Il est vraiment important de comprendre la structure et la dynamique de ces nouvelles formes d’ECA, car cela pourrait aider à identifier de nouveaux sites pour la conception d’inhibiteurs sélectifs de domaine qui évitent de tels effets secondaires. »

Les résultats de l’étude révèlent de manière unique la nature hautement dynamique de l’ACE et les mécanismes par lesquels la dimérisation et la communication se produisent entre ses différents domaines. « En passant d’une vision centrée sur le site actif à une vision holistique de cette protéine vitale, nous avons obtenu de nouvelles informations précieuses sur le fonctionnement de l’ACE », déclare Lubbe, premier auteur de l’étude.

« La nature dynamique de l’ACE empêche la formation de cristaux, ce qui signifie que les études de cristallographie aux rayons X au cours des deux dernières décennies ne pouvaient résoudre que des parties de la structure », explique le co-auteur de l’étude, Sewell. « Nous avons découvert de nombreux indices en utilisant cette méthode, mais nous n’avons pas pu résoudre le puzzle complet avant d’avoir accès à la cryo-EM haute résolution. »

Pour obtenir la structure complète, la protéine a été rapidement refroidie à -180 degrés Celsius, emprisonnant les différentes conformations dans un très mince film d’eau semblable à du verre à l’EMU. Après cela, un microscope avancé Titan Krios à eBIC a été utilisé pour l’imagerie. « Même avec une imagerie haute résolution, la forme unique, la petite taille et la nature dynamique de l’ACE ont posé de nombreux défis », déclare le co-auteur de l’étude, Woodward.

« Les méthodes de traitement d’image cryo-EM récemment développées étaient cruciales pour résoudre les structures », explique Lubbe. « Nous avons dû séparer les images par calcul grâce à une classification approfondie, ce qui équivaut à une » purification numérique « car les méthodes biochimiques n’ont pas réussi à séparer les formes monomères et dimères de l’ACE. Nous pourrions alors résoudre les deux structures ACE en concentrant tour à tour le raffinement 3D sur différentes parties de la structure.

« Nous sommes ravis des résultats de cette étude réalisée par une brillante équipe de scientifiques en Afrique, utilisant le cryo-EM avancé d’eBIC à Diamond », a déclaré le professeur Chris Nicklin, chef du groupe Diamond Science et chercheur principal du projet de subvention GCRF START. « Il s’agit d’un excellent exemple de partenariats de recherche britanniques et africains et d’impact mondial grâce à la très réussie subvention GCRF START. Le monde a besoin de toute urgence de solutions durables pour les maladies cardiaques meurtrières et autres problèmes de santé chroniques. Nous sommes très enthousiastes à l’idée que les informations structurelles de l’étude pourraient ouvrir la voie à une meilleure conception des médicaments antihypertenseurs.

Référence: Lubbe L, Sewell BT, Woodward JD, Sturrock ED. Cryo-EM révèle les mécanismes d’allostérie et de dimérisation de l’enzyme de conversion de l’angiotensine I. EMBOL. 2022;0(0):e110550. doi : 10.15252/embj.2021110550