in

Cryo-EM 2.0 : l’avancée révolutionnaire de l’UCLA dans le domaine de la technologie d’imagerie lauréate du prix Nobel

Cryo-EM 2.0 : l'avancée révolutionnaire de l'UCLA dans le domaine de la technologie d'imagerie lauréate du prix Nobel

Une série d’images cryo-EM. Les photos en niveaux de gris représentent des projections 2D de plusieurs vues de l’échafaudage d’imagerie attaché à une protéine cible ; l’image couleur illustre la reconstruction 3D dérivée de projections 2D. Crédit : Roger Castells-Graells/UCLA

Une avancée dans le domaine de la cryo-EM pourrait constituer une aubaine importante pour la recherche sur des thérapies potentielles contre le cancer.

  • Une technologie appelée cryo-microscopie électronique, ou cryo-EM, permet aux scientifiques de visualiser la structure atomique des molécules biologiques en haute résolution. Mais jusqu’à présent, il s’est révélé inefficace pour l’imagerie de ce qu’on appelle les petites molécules.
  • UN UCLAL’équipe de biochimistes dirigée par l’équipe a conçu une solution qui permet de maintenir de petites molécules de protéines en place pendant leur imagerie, ce qui permettra à la cryo-EM de produire des images beaucoup plus claires de ces molécules.
  • Cette avancée est significative car les molécules protéiques de petite et moyenne taille constituent un domaine d’intérêt dans la recherche sur de nouveaux médicaments potentiels contre le cancer et d’autres maladies.

Amélioration clé de la technologie lauréate du prix Nobel

Le prix Nobel de chimie 2017 a été décerné à des scientifiques pour leur développement de la microscopie cryoélectronique (cryo-EM), une technique révolutionnaire permettant l’imagerie haute résolution de la structure atomique de grandes molécules biologiques.

Cependant, la cryo-EM avait encore un problème : elle n’était efficace que pour l’imagerie de grosses molécules.

Aujourd’hui, des biochimistes de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA), en collaboration avec des scientifiques de l’industrie pharmaceutique, ont développé une solution qui permettra également à la cryo-EM d’acquérir des images de haute qualité de molécules protéiques plus petites. Les scientifiques ont conçu une structure protéique en forme de cube de 20 nanomètres, appelée échafaudage, avec des saillies rigides en forme de trépied qui maintiennent les petites protéines en place.

L’échafaudage peut être numériquement supprimé de l’image lors du traitement de l’imagerie, laissant une image composite 3D des petites protéines analysées par les scientifiques.

Échafaudages attachés à la protéine KRAS

Une image au microscope électronique des échafaudages attachés à la protéine KRAS (arrière-plan). Le cercle de gauche met en évidence un échafaudage d’imagerie, le second affiche la structure 3D de l’échafaudage d’imagerie lié au KRAS et le troisième montre un gros plan du KRAS attaché au médicament anticancéreux AMG510. Crédit : Roger Castells-Graells/UCLA

Les protéines de petite et moyenne taille constituent un point chaud pour la recherche de nouveaux médicaments potentiels qui pourraient un jour être utilisés pour lutter contre certaines des maladies humaines les plus incurables. Cette avancée, qui a été testée sur une protéine que les scientifiques étudient pour son éventuelle utilisation dans les traitements contre le cancer, peut être personnalisée pour presque toutes les petites protéines. Les chercheurs s’attendent à ce que l’expansion des capacités d’imagerie du cryo-EM les aide à identifier des emplacements spécifiques sur des protéines qu’ils peuvent cibler à des fins thérapeutiques.

Un article sur la nouvelle recherche a été récemment publié dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Comment fonctionne Cryo-EM

En cryo-EM, les scientifiques utilisent un microscope cryoélectronique pour envoyer un faisceau d’électrons à travers des échantillons de matériau congelés, laissant derrière eux une image des milliers de molécules, telles que des protéines, présentes dans l’échantillon. Les molécules sont photographiées exactement telles qu’elles se trouvent dans l’échantillon, produisant des milliers de photographies 2D de la molécule prises sous différents angles. Le traitement informatique réconcilie toutes ces photographies pour formuler une image 3D correcte – en séparant l’arrière-plan, en regroupant les images avec des orientations similaires et en générant une image 3D haute résolution d’une seule molécule.

Mais lorsqu’il s’agit d’imager les plus petites molécules de protéines, leur petite taille rend impossible la détermination de leurs orientations dans les images, ce qui donne des images de résolution relativement faible.

Dans des études précédentes, les scientifiques avaient tenté de résoudre le problème en attachant de petites molécules à des échafaudages plus grands, mais ces expériences ont démontré que si les petites molécules étaient attachées de manière trop flexible, elles dépasseraient de l’échafaudage sous différents angles et orientations, ce qui produirait toujours des images floues. .

« Les images sont floues parce que l’ordinateur ne peut pas créer une image composite distincte s’il ne peut pas déterminer les orientations avec précision », a déclaré Todd Yeates, professeur émérite de biochimie de l’UCLA, directeur par intérim de l’UCLA – Department of Energy Institute for Genomics and Proteomics et l’auteur correspondant de l’article.

Dans la nouvelle étude, l’échafaudage créé par les scientifiques comporte des saillies en forme de trépied qui capturent les protéines et les maintiennent fermement en place, ce qui donne les images à plus haute résolution qu’elles recherchaient.

« La fixation rigide des petites molécules à des échafaudages plus grands crée des particules suffisamment grandes pour être imagées et qui ont toutes exactement la même forme 3D », a déclaré Yeates. « Et à partir de là, le processus fonctionne comme d’habitude pour construire l’image 3D haute résolution. »

Roger Castells-Graells, chercheur postdoctoral à l’UCLA et auteur principal de l’étude, a déclaré que les scientifiques ont d’abord essayé une autre forme d’échafaudage avant d’atterrir sur la version avec des saillies en forme de trépied.

« Au début, nous utilisions un seul ‘bâton’ pointé vers l’extérieur et cela n’a pas aussi bien fonctionné », a-t-il déclaré. « Le nouvel échafaudage comporte des saillies qui pointent les unes vers les autres en triplets – comme des trépieds – qui maintiennent fermement la protéine. »

Applications dans le développement de médicaments

Les chercheurs ont testé leur échafaudage en tentant de créer des images d’une protéine appelée KRAS qui encourage les cellules à proliférer. Il joue un rôle dans environ 25 % des cancers humains. Cela présente un intérêt particulier pour les chercheurs pharmaceutiques, car l’identification d’emplacements spécifiques sur la protéine liés à ses capacités cancérigènes pourrait aider les scientifiques à concevoir des médicaments neutralisant l’activité à ces emplacements, ce qui pourrait être une voie vers le traitement du cancer.

En utilisant le cryo-EM et l’échafaudage qu’ils ont développé, l’équipe dirigée par l’UCLA a pu observer la structure atomique du KRAS attaché à une molécule médicamenteuse étudiée dans le cadre d’un traitement potentiel contre le cancer du poumon. Leurs travaux ont prouvé que la nouvelle approche cryo-EM échafaudée peut éclairer la manière dont les molécules médicamenteuses se lient aux protéines cellulaires comme KRAS et les inhibent, et pourrait aider à orienter le développement de médicaments plus efficaces.

Selon Castells-Graells, les applications potentielles de cette nouvelle avancée ne s’arrêtent pas aux médicaments contre le cancer.

« Notre échafaudage est modulaire et peut être assemblé dans n’importe quelle configuration pour capturer et contenir toutes sortes de petites molécules protéiques », a-t-il déclaré.

La recherche a été soutenue par le Instituts nationaux de la santé et le ministère de l’Énergie et était une collaboration avec des scientifiques d’Astra-Zeneca, dont l’équipe était dirigée par Chris Phillips, et de Gandeeva Therapeutics, dont l’équipe était dirigée par Sriram Subramaniam.

L’UCLA a déposé un brevet sur la nouvelle technologie, et Yeates, Castells-Graells et leurs collègues ont lancé une nouvelle société, AvimerBio, pour aider à développer de nouvelles applications commerciales utilisant les nouvelles méthodes, en collaboration avec des sociétés pharmaceutiques de premier plan.

Brain Signals Boost Mood Serotonin Concept

Des chercheurs découvrent de nouveaux réseaux mnémomiques dans le cerveau

Derna Libya Storm

Catastrophe cyclonique meurtrière : une tempête qui se produit une fois tous les 600 ans en Libye a emporté des quartiers entiers vers la mer