Reconnaissance moléculaire par Ajustement induit: Quel est l’Ajustement du Concept?

Pratiquement tous les phénomènes biologiques dépendent d’une manière ou d’une autre d’une reconnaissance moléculaire spécifique. À la fin du XIXe siècle, Emil Fischer a inventé sa célèbre analogie clé en main pour illustrer la spécificité des réactions enzymatiques, qui sont une prémisse moléculaire de la vie (4). L’enzyme était considérée comme un gabarit rigide dans lequel le substrat devait s’insérer comme une clé dans une serrure. Au fil des ans, cependant, il est devenu évident qu’un ajustement rigide entre les structures moléculaires préformées ne peut expliquer tous les aspects de la catalyse enzymatique. Par exemple, pourquoi un substrat plus petit ne devrait-il pas s’insérer dans le site actif d’une enzyme conçue pour un substrat plus grand? Ou pourquoi certaines enzymes sont-elles très sélectives alors que d’autres peuvent accueillir plusieurs molécules de substrat structurellement différentes?

C’est dans ce contexte qu’il y a plus de 40 ans, Daniel Koshland a formulé le concept de l’ajustement induit (7). Pour faciliter la réaction enzymatique en l’absence d’ajustement précis, il postule que  » le substrat peut provoquer une modification sensible de la relation tridimensionnelle des acides aminés au site actif ” (7). L’idée d’un ajustement précis a été retenue de l’image à clé, mais il a été explicitement indiqué que l’ajustement « ne se produit qu’après les changements induits par le substrat lui-même » (soulignement original). Le concept est rapidement devenu une connaissance théorique et a depuis été utilisé pour expliquer toutes sortes de processus de reconnaissance moléculaire bien au-delà des réactions enzyme-substrat. En effet, l’analyse structurale de biomolécules en interaction a établi à maintes reprises qu’un complexe et ses molécules de composants libres peuvent différer dans les détails fins de la structure, en appui apparent de la reconnaissance par ajustement induit. Un bon exemple est fourni par plusieurs complexes antigène-anticorps pour lesquels une adaptation spatiale a été démontrée par une analyse de structure cristalline à haute résolution (2). La plasticité structurelle est également évidente dans d’autres interactions protéine-protéine (12).

Pourquoi devrait-on remettre en question un concept ancestral ? Ma raison est que le parangon d’ajustement induit est souvent trop prêt pour expliquer pourquoi des molécules sans complémentarité structurelle apparente interagissent. Le problème réside dans l’hypothèse initiale selon laquelle un ajustement favorable ne se développe qu’après la liaison initiale, ce qui est souvent pris trop littéralement. Compte tenu de la cinétique et de la thermodynamique d’une réaction de liaison, l’ajustement induit n’est possible que si la correspondance entre les sites d’interaction est suffisamment forte pour fournir au complexe initial une résistance et une longévité suffisantes pour que l’ajustement induit ait lieu dans un délai raisonnable. Je souhaite illustrer ce point crucial par un simple calcul de modèle basé sur le cycle thermodynamique représenté à la Fig. 1. Considérons les molécules A et B, qui peuvent être une enzyme et un substrat, un antigène et un anticorps, une hormone et un récepteur, ou toute autre paire de molécules en interaction. Par souci de simplicité, je suppose également que l’ajustement induit ne se produit que dans la molécule B, qui est changée en B * pour former le complexe stable AB *. (Cette hypothèse n’affecte pas le résultat du calcul mais simplifie le formalisme mathématique.) La fixation par ajustement induit est décrite par les réactions 1 et 2 de la Fig. 1. Dans la réaction 1, A et B interagissent pour former le complexe initial AB, qui est une paire de molécules faiblement liée. Des interactions précises et énergétiquement favorables se forment ensuite dans la réaction 2, dans laquelle B est forcé dans la conformation B* par ajustement induit. L’énergie de « traction” et de « poussée” de B dans la conformation du raccord provient de l’ajustement optimisé obtenu dans le complexe final AB*. La constante de liaison globale pour le complexe AB* est K = K1 × K2 = k1 × k2/ k-1 × k-2 (voir Fig. 1 pour les définitions des constantes de liaison et des constantes de vitesse cinétique).

A titre d’exemple pratique, on envisage un complexe antigène-anticorps pour lequel K est typiquement de l’ordre de 108 M–1. La réaction 1 étant défavorable, je prends K1 pour être 1 M-1, d’où il résulte que K2 = 108 M–1. Parce que K2 >>K1, l’équilibre est bien du côté du complexe antigène-anticorps AB*. Par exemple, si l’anticorps 1 × 10-6 M réagit avec l’antigène 1 × 10-6 M, l’équilibre thermodynamique est de 91% du côté du complexe antigène-anticorps (calculé à partir de K = 108 M–1 et total = total = 1 × 10-6 M, où les crochets indiquent la concentration). La question importante, qui est souvent négligée, est de savoir combien de temps il faudra pour atteindre cette concentration d’équilibre. Le cours du temps est décrit par

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Pour calculer le temps pour atteindre l’équilibre, il faut des estimations raisonnables de k1 et k2 (k–1 et k–2 suivent des valeurs choisies de K1 et K2 ; voir Fig. 1). Le taux de formation d’un complexe très faible peut être compris entre 102 et 106 M–1 • s–1. Je choisis k1 = 104 M-1 * s-1; Cependant, la valeur de k1 n’a pas beaucoup d’effet sur le résultat du calcul. Les changements conformationnels dans les protéines ont des demi-temps de millisecondes, donc je choisis k2 = 102 s–1 (demi-temps = 7 ms, de ln2 / k2). Les valeurs correspondantes des réactions de retour sont alors k-1 = 104 s-1 et k–2 = 10-6 s-1. L’intégration numérique des équations 1 et 2 pour les constantes de vitesse ci-dessus et les concentrations de départ d’antigène et d’anticorps de 1 × 10-6 M donne un demi-temps pour la formation du complexe antigène-anticorps de ~ 2,5 h. Atteindre ainsi l’équilibre prend ~ 1 jour (~ 10 demi-temps). La raison de ce long temps de réaction est que, une fois formé, le complexe antigène-anticorps instable AB n’a que très peu de chances de subir la transition d’ajustement induite vers le complexe antigène-anticorps stable AB *. L’ajustement induit, bien que thermodynamiquement raisonnable, est trop lent pour être significatif en tant que réaction biologique.

La sélection conformationnelle est une alternative à l’ajustement induit

D’autres chercheurs, dont moi-même (1, 3, 5, 8, 13, 14) ont souligné qu’il existe un mécanisme alternatif à l’ajustement induit. L’essence de la sélection conformationnelle, décrite par les réactions 3 et 4 de la Fig. 1, est que le changement de conformation n’est pas supposé se produire après la liaison initiale. C’est une hypothèse plutôt évidente. Prenez le complexe antigène-anticorps AB *. Il se dissocie en anticorps libre A et antigène libre B* par la réaction 4. Par conséquent, B* se produit isolément même s’il peut ne s’agir que d’une conformation minoritaire de courte durée, s’équilibrant rapidement avec la conformation majeure B par la réaction 3. Pour calculer le temps nécessaire pour atteindre la concentration d’équilibre d’AB * par sélection conformationnelle, je suppose qu’une molécule sur mille est en conformation B * (K3 = 10-3). Il s’ensuit que K4 = 1011 M-1 depuis le cycle thermodynamique de la Fig. 1 doit être satisfait selon K1 × K2 = K3 × K4 = K = 108 M-1. Je suppose en outre que le changement conformationnel B → B * est aussi rapide que l’ajustement induit (k2 = k3 = 100 s–1). De plus, il faut une valeur du taux d’association de B* avec A dans la réaction 4. Les constantes de vitesse mesurées pour la liaison antigène-anticorps sont comprises entre 104 et 107 M et 1*s–1 (8, 9, 11). Je choisis une valeur moyenne de k4 = 106 M-1 * s–1. Dans ces conditions, la formation du complexe antigène-anticorps AB* par les réactions 3 et 4 a un demi-temps de seulement 80 s ; la concentration d’équilibre d’AB* est atteinte en < 15 min.

Ces calculs démontrent que la liaison par ajustement induit n’a de sens que s’il existe une certaine complémentarité préexistante entre les espèces en interaction; sinon, le complexe initial AB est de trop courte durée (une hypothèse implicite dans l’article initial de Koshland). En utilisant les constantes de vitesse directe k1 et k2 ci-dessus et les concentrations initiales de 1 × 10-6 M, on constate que K1 doit être ~ 104 M–1 pour atteindre le même demi-temps de 80 s pour la voie d’ajustement induite que pour la voie de sélection conformationnelle.

Démonstration expérimentale de la liaison par sélection conformationnelle

Étonnamment peu d’études ont tenté de montrer la sélection conformationnelle malgré le fait qu’elle soit plus facilement démontrée que l’ajustement induit (1, 5, 8, 15). Pour démontrer l’ajustement induit, il faudrait échantillonner des informations structurelles au cours de la réaction de liaison, une tâche assez difficile. Pour démontrer la sélection conformationnelle, il faut montrer que la vitesse de formation du complexe AB* est linéairement proportionnelle à la concentration du conformateur d’ajustement B* et non linéairement proportionnelle à la concentration totale de B+B*. Si l’on peut mesurer la réaction d’équilibre conformationnel 3 en l’absence du partenaire de liaison A, on peut calculer la concentration de B* et prédire la vitesse globale de formation de AB*.

Un exemple bien étudié est la réaction du fragment d’anticorps à chaîne unique dirigé contre le peptide GCN4-7P14P contenant 33 résidus de proline longue, appelé peptide P en abrégé (6). Le peptide est très similaire en séquence au domaine leucine zipper de l’activateur transcriptionnel de levure GCN4, sauf qu’il ne forme pas de leucine zipper car il contient deux résidus de proline. (Les prolines ne sont pas compatibles avec la conformation hélicoïdale d’une fermeture éclair à leucine, qui est un dimère d’hélices enroulées les unes autour des autres.) Cependant, l’anticorps réagit de manière croisée avec la fermeture éclair de la leucine GCN4, et cette réaction croisée suit clairement une voie de sélection conformationnelle. L’anticorps réagit avec le peptide déplié, qui est alimenté par la fermeture à glissière de leucine pliée (réaction 3). En comparant la réaction originale de l’anticorps avec le peptide P à la réaction croisée avec la fermeture éclair à leucine GCN4, on s’attend à ce que la réaction croisée soit plus lente car l’anticorps doit sélectionner une petite quantité de peptide déplié en équilibre avec une grande quantité de fermeture éclair à leucine pliée. De plus, la vitesse de la réaction croisée avec la fermeture éclair à leucine majoritairement pliée montrera une dépendance non linéaire de la concentration totale d’antigène mais une dépendance linéaire de la concentration de la petite quantité de peptide déplié (8, 15). Ce ne serait pas le cas pour un mécanisme d’ajustement induit, qui devrait être biphasique, la première phase correspondent à une réaction d’association bimoléculaire dont la vitesse dépend linéairement de la concentration totale d’antigène et la seconde phase à un réarrangement conformationnel indépendant de la concentration. La figure 2 montre les données réelles. Le taux de formation du complexe antigène-anticorps dépend linéairement de la concentration de la petite quantité de peptide déplié et non linéairement de la concentration totale d’antigène (Fig. 2 BIS). La figure 2B montre les traces cinétiques de la réaction plus rapide avec l’antigène d’origine et de la réaction plus lente avec la fermeture éclair à la leucine GCN4. Néanmoins, la sélection conformationnelle de la fermeture éclair à la leucine dépliée est encore d’un ordre de grandeur plus rapide qu’une voie d’ajustement induit car la liaison de l’anticorps à la fermeture éclair à la leucine repliée (réaction 1 de la Fig. 1) est extrêmement faible (1).

Le modèle de paysage énergétique de la conformation des protéines

Les protéines pliées n’ont pas une seule structure unique, mais sont mieux considérées comme un grand ensemble de structures similaires ayant des contenus énergétiques similaires. Ces conformeurs dits sont en fluctuation rapide les uns avec les autres (10). Si le paysage énergétique est fluide, les nombreux conformères s’échangent rapidement. S’il est robuste, l’ensemble peut inclure des conformères qui peuvent être très différentes et s’échanger plus lentement. Ainsi, la sélection entre les structures B et B* est une vue grossièrement simplifiée. En réalité, il s’agit plutôt d’une sélection parmi de très nombreuses structures plus ou moins adaptées (13). Cependant, le résultat final de la sélection conformationnelle est le même: les conformères qui présentent le meilleur ajustement se lient le mieux.

Conclusions

La sélection conformationnelle est une alternative précieuse à l’ajustement induit. Cela ne veut pas dire que la liaison par ajustement induit ne se produit pas. En fait, une combinaison de sélection conformationnelle et d’ajustement induit semble être la meilleure description de l’interaction entre des molécules qui ne s’adaptent apparemment pas de manière optimale pour commencer. On peut envisager une sélection entre des structures partiellement ajustées suivies de réajustements mineurs au complexe stable final (qui selon la théorie du paysage est lui-même un ensemble de conformères similaires). Le point principal est que l’ajustement induit ne peut pas être un remède universel comme on le prétend souvent dans la littérature. L’ajustement induit nécessite une certaine correspondance moléculaire préalable pour fournir une affinité suffisante avant l’adaptation conformationnelle. Si cette condition n’est pas remplie, l’ajustement induit entraîne un goulot d’étranglement cinétique, même si la réaction globale est thermodynamiquement réalisable.