Les états excités de l’oncogène Ras révélés par la cristallographie sous haute pression

Les protéines en solution sont en équilibre entre plusieurs états conformationnels d’énergies libres légèrement différentes. On sait déterminer avec une grande précision la structure cristallographique de leur état majoritaire de plus basse énergie, mais il est beaucoup plus difficile d’avoir des informations précises sur les états excités plus minoritaires. Pourtant, quand une protéine interagit avec un partenaire, elle est dans un état excité. Par comparaison avec l’état fondamental, Il est ainsi plus difficile de concevoir rationnellement un inhibiteur ciblant spécifiquement un état excité puisqu’il est minoritaire et donc difficile à caractériser.

La cristallographie sous haute pression hydrostatique est une technique idéale pour pouvoir déterminer la structure d’un état excité avec une très grande précision. La pression permet en effet de peupler des états excités minoritaires et ainsi de modifier la distribution de populations des différents états.

Dans le cadre d'une collaboration entre plusieurs laboratoires français et l’université de Regensburg en Allemagne, la cristallographie sous haute pression hydrostatique a été appliquée à la protéine Ras, une petite GTPase impliquée dans un grand nombre de cancers. Ras possède de nombreux états conformationnels lui permettant d’interagir avec des effecteurs et des régulateurs. La structure de Ras dans son état majoritaire correspond ainsi à son état quand elle se lie à un effecteur. Les structures des états excités ont été obtenues principalement à l’aide de mutants de la protéine, donc sujet à des artefacts. De plus, Ras se lie à la membrane cellulaire, induisant des modifications allostériques lui permettant de passer d’un état à l’autre, ce phénomène ayant étudié en ajoutant des composants chimiques, donc également sujet à des artefacts.

La pressurisation des cristaux de Ras à plus de 300 MPa (3 000 atm) a permis d’induire un changement d’état de la protéine au sein même du cristal. L’analyse des structures de Ras à différentes pressions au-dessus de la pression de transition a permis de localiser les segments qui basculent d’un état à l’autre, et de caractériser le phénomène de modification allostérique induit par la liaison de Ras à la membrane.

La cristallographie sous haute pression hydrostatique a ainsi permis d’analyser sans recourir à des mutations ou à des agents exogènes les états conformationnels adoptés par Ras pour interagir avec des régulateurs de son activité, ouvrant ainsi la voie à la conception d’inhibiteurs spécifiques de ces états.

Pour en savoir plus :
Equilibria between conformational states of the Ras oncogene protein revealed by high pressure crystallography
Eric Girard, Rui P Lopes, Michael Spoerner, Anne-Claire Dhaussy, Thierry Prangé, Hans Robert Kalbitzer & Nathalie Colloc'h 
Chemical Science 13 janvier 2022. DOI. https://doi.org/10.1039/D1SC05488K