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Accueil > Départements > Biochimie, Biophysique et Biologie Structurale > Stéphane BRESSANELLI : Interactions et mécanismes d’assemblage des protéines et des peptides

Architectures de peptides auto-assemblés

Cet axe de recherche est focalisé sur l’étude des mécanismes d’auto-assemblages de peptides et de leurs structures. Plus précisément, il s’agit d’étudier les propriétés d’auto-assemblages d’oligopeptides thérapeutiques de 8 à 14 acides aminés avec deux objectifs : i) comprendre et caractériser le plus finement possibles les règles chimiques et physicochimiques guidant l’auto-assemblage de ces molécules et ii) trouver des formulations innovantes de peptides thérapeutiques. Ce second objectif est développé dans le cadre d’Archi-Pex, un laboratoire commun créé entre deux équipes académiques (Franck Artzner, IPR, Rennes et Maité Paternostre, I2BC) et une équipe du laboratoire pharmaceutique IPSEN dirigée par Joel Richard.
Nos études fondamentales sur les structures formées par deux classes de peptides hormonaux naturels et leurs dérivés et sur les mécanismes de formation de ces structures ont donné lieu à de nombreuses publications (cf liste des publications) ainsi qu’à trois brevets déposés avec IPSEN sur la formulation de ces peptides (cf liste des brevets).

Structure de nanotubes de peptide

Structure de nanotubes de peptide

Le Lanréotide est un octapeptide di-cationique analogue synthétique et thérapeutique d’une hormone naturelle, la somatostatine. Ce peptide s’auto-assemble spontanément dans l’eau et forme des nanotubes creux de diamètre parfaitement bien défini de 24.4nm et de longueur atteignant le millimètre. La paroi de ces nanotubes de 2.6nm d’épaisseur est formée par une bicouche de peptide. La brique unitaire de cet édifice supramoléculaire est un dimère face contre face dont l’empilement dans une direction est stabilisé par des réseaux de liaisons hydrogène en feuillet beta antiparallèle définissant ainsi un filament. Dans l’autre direction l’assemblage des filaments est effectué par des interactions entre résidus aromatiques. Il faut exactement 26 filaments pour former un nanotube de 24.4nm de diamètre.
Valéry et al. PNAS, 2003, 100(18), 10258–10262

Mécanisme de formation des nanotubes de lanreotide

Mécanisme de formation des nanotubes de lanreotide

En dessous de sa concentration critique d’assemblage, le lanréotide est en équilibre entre deux formes, monomères et dimères. Le dimère est la brique d’assemblage qui fixe l’épaisseur de la paroi du nanotube. Par un processus de nucléation classique, les dimères de peptide s’auto assemblent en un cristal bidimensionnel courbe fixant ainsi le diamètre final du nanotube. Lorsque ce cristal bidimensionnel courbe est proche de la fermeture, les fortes répulsions électrostatiques provenant des deux charges positives du peptide ralentissent certaines des vitesses de croissance du cristal par rapport à d’autres provoquant ainsi l’apparition d’un intermédiaire transitoire et instable, un ruban hélicoïdal. La fermeture de ce ruban fait apparaitre les nanotubes finaux.
Pouget et al, 2010, JACS, 132, 4230–4241

De la molécule au contrôle de la taille des assemblages

De la molécule au contrôle de la taille des assemblages

La connaissance de la structure des nanotubes de Lanreotide nous permet de réfléchir à la façon de moduler le diamètre des nanotubes tout en gardant le mode d’empilement du peptide. Nous savons que le diamètre des nanotubes est fixé très tôt lors de l’assemblage. Nous avons pensé que la géométrie de l’interaction médiée par des interactions entre aromatiques en particulier était primordial pour fixer le rayon de courbure des cristaux bidimensionnel, donc le diamètre des nanotubes finaux. Nous avons bâti un modèle géométrique reposant sur l’encombrement stérique des close contacts entre filaments et vérifier ce modèle en changeant chimiquement un des résidus aromatiques dans la séquence peptidtique effectuant le close contact. Nous obtenons ainsi des nanotubes toujours monodisperses en diamètre mais dont nous contrôlons le diamètre entre 10 et 35 nm.
Tarabout et al, PNAS, 2011, 108(19), 7679–7684

Influence des contre-ions sur l’auto-assemblage de peptide

Influence des contre-ions sur l’auto-assemblage de peptide

Le Lanréotide est un octapeptide di-cationique. Une question restant non résolue sur ce système était comment et pourquoi ce peptide pouvait s’assembler en contrecarrant les forces électrostatiques fortement répulsives. Nous avons donc réalisé une étude axée sur le comportement des conterions sur ce système puisqu’eux seuls pouvaient jouer le rôle d’écrantage des forces de répulsion. Nous avons ainsi observé que si le monomère de Lanréotide en solution était totalement dissocié de ses contreions alors que sur le dimère 3 des 4 contreions n’étaient pas dissociés. Ceci signifie que la charge apparente du dimère est inférieure à celle du monomère expliquant ainsi que le dimère est la brique unitaire de l’assemblage. Plus de 90% des contreions sont condensés sur les nanotubes, bien plus que la théorie ne le prévoit. Ceci diminue fortement la densité de charge des parois de nanotubes et suppose une interaction conterions peptide spécifique. En changeant la nature et la taille des contreions (dans la série de Hofmeister) nous observons que le diamètre final des nanotubes dépend du conterions que nous pouvons ainsi moduler entre 19 et 26nm, démontrant ainsi que les contreions sont insérés dans les parois des nanotubes. Par des expériences de compétition entre conterions, nous avons montrés que les sites de fixation spécifiques des contreions se trouvent sur la paroi interne des nanotubes.
Gobeaux et al., 2012, J.Am.Chem.Soc., 134 (1), pp 723–733

Utilisation des nanotubes de lanréotide comme moules pour former des nanotubes de verre à double paroie.

Utilisation des nanotubes de lanréotide comme moules pour former des nanotubes de verre à double paroie

Dans ce travail, les nanotubes de Lanréotide sont utilisés pour réaliser un matériau composite peptide-silice. Le résultat de la minéralisation des nanotubes de peptide montre que les parois internes et externes des nanotubes sont tapissées par une couche de silice d’épaisseur bien définie (1.4 nm). Ce résultat est dû au fait que les nanotubes de peptide croissent en même temps que la silice se condense sur les parois chargées des nanotubes de peptide par un mécanisme synergique entre les deux processus. L’épaisseur de la couche de silice est reliée à la densité de charge des parois des nanotubes qui provoque une augmentation très forte de la concentration des précurseurs de silice chargé négativement à proximité des parois.
Pouget et al., Nature Materials, 2007, 6, 434 - 439

Liste des publications

  1. Valéry C, Deville-Foillard S, Lefebvre C, Taberner N, Legrand P, Meneau F, Meriadec C, Delvaux C, Bizien T, Kasotakis E, Lopez-Iglesias C, Gall A, Bressanelli S, Le Du M-H, Paternostre M, Artzner F. Atomic view of the histidine environment stabilizing higher-pH conformations of pH-dependent proteins. Nat Commun. 2015. 6 : 7771.

1. Gobeaux, Frederic, Nicolas Fay, Christophe Tarabout, Florian Meneau, Cristelle Meriadec, Camille Delvaux, Jean-Christophe Cintrat, Celine Valery, Franck Artzner, and Maite Paternostre. “Experimental Observation of Double-Walled Peptide Nanotubes and Monodispersity Modeling of the Number of Walls.” Langmuir 29, no. 8 (February 26, 2013) : 2739–45. doi:10.1021/la304862f.
2. Gobeaux, Frederic, Nicolas Fay, Christophe Tarabout, Cristelle Meriadec, Florian Meneau, Melinda Ligeti, David-Alexandre Buisson, et al. “Structural Role of Counterions Adsorbed on Self-Assembled Peptide Nanotubes.” Journal of the American Chemical Society 134, no. 1 (January 11, 2012) : 723–33. doi:10.1021/ja210299g.
3. Gobeaux, Frederic, Christophe Tarabout, Nicolas Fay, Cristelle Meriadec, Melinda Ligeti, David-Alexandre Buisson, Jean-Christophe Cintrat, Franck Artzner, and Maite Paternostre. “Directing Peptide Crystallization through Curvature Control of Nanotubes.” Journal of Peptide Science 20, no. 7 (July 2014) : 508–16. doi:10.1002/psc.2647.
4. Pandit, Anjali, Nicolas Fay, Luc Bordes, Celine Valery, Roland Cherif-Cheikh, Bruno Robert, Franck Artzner, and Maite Paternostre. “Self-Assembly of the Octapeptide Lanreotide and Lanreotide-Based Derivatives : The Role of the Aromatic Residues.” Journal of Peptide Science 14, no. 1 (January 2008) : 66–75. doi:10.1002/psc.913.
5. Paternostre, M., F. Artzner, C. Valery, F. Gobeaux, E. Pouget, N. Fay, and C. Tarabout. “Peptide Nanotubes : Structure and Mechanism.” European Biophysics Journal with Biophysics Letters 42 (July 2013) : S205–S205.
6. Paternostre, M., C. Valery, F. Artzner, R. C. Cheikh, and T. Gulik. “Monodisperse Nanotubes Formed by Lanreotide, a Therapeutic Octapeptide : Molecular and Supramolecular Organization.” Abstracts of Papers of the American Chemical Society 226 (September 2003) : U395–U395.
7. Pouget, Emilie, Erik Dujardin, Annie Cavalier, Alain Moreac, Celine Valery, Valerie Marchi-Artzner, Thomas Weiss, Anne Renault, Maite Paternostre, and Franck Artzner. “Hierarchical Architectures by Synergy between Dynamical Template Self-Assembly and Biomineralization.” Nature Materials 6, no. 6 (June 2007) : 434–39. doi:10.1038/nmat1912.
8. Pouget, Emilie, Nicolas Fay, Erik Dujardin, Nadege Jamin, Patrick Berthault, Lionel Perrin, Anjali Pandit, et al. “Elucidation of the Self-Assembly Pathway of Lanreotide Octapeptide into Beta-Sheet Nanotubes : Role of Two Stable Intermediates.” Journal of the American Chemical Society 132, no. 12 (March 31, 2010) : 4230–41. doi:10.1021/ja9088023.
9. Tarabout, Christophe, Stephane Roux, Frederic Gobeaux, Nicolas Fay, Emilie Pouget, Cristelle Meriadec, Melinda Ligeti, et al. “Control of Peptide Nanotube Diameter by Chemical Modifications of an Aromatic Residue Involved in a Single Close Contact.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, no. 19 (May 10, 2011) : 7679–84. doi:10.1073/pnas.1017343108.
10. Valery, C., F. Artzner, C. Lopez Iglesias, E. Coll, W. van Grondelle, M. Paternostre, M. Cardus, M. Montes, and R. Cherif-Cheikh. “Packing Mode of Amyloid-like Fibrils into Nano-Architectures Tuned by Single Side-Chain Variations.” Febs Journal 274 (July 2007) : 261–261.
11. Valery, C., F. Artzner, B. Robert, T. Gulick, G. Keller, C. Grabielle-Madelmont, M. L. Torres, R. Cherif-Cheik, and M. Paternostre. “Self-Association Process of a Peptide in Solution : From Beta-Sheet Filaments to Large Embedded Nanotubes.” Biophysical Journal 86, no. 4 (April 2004) : 2484–2501.
12. Valery, Celine, Franck Artzner, and Maite Paternostre. “Peptide Nanotubes : Molecular Organisations, Self-Assembly Mechanisms and Applications.” Soft Matter 7, no. 20 (2011) : 9583–94. doi:10.1039/c1sm05698k.
13. Valery, Celine, Emilie Pouget, Anjali Pandit, Jean-Marc Verbavatz, Luc Bordes, Isabelle Boisde, Roland Cherif-Cheikh, Franck Artzner, and Maite Paternostre. “Molecular Origin of the Self-Assembly of Lanreotide into Nanotubes : A Mutational Approach.” Biophysical Journal 94, no. 5 (March 1, 2008) : 1782–95. doi:10.1529/biophysj.107.108175.
14. Valery, C., M. Paternostre, B. Robert, T. Gulik-Krzywicki, T. Narayanan, J. C. Dedieu, G. Keller, et al. “Biomimetic Organization : Octapeptide Self-Assembly into Nanotubes of Viral Capsid-like Dimension.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100, no. 18 (September 2, 2003) : 10258–62. doi:10.1073/pnas.1730609100.
15. Van Grondelle, Wilmar, Carmen Loez Iglesias, Elisenda Coll, Franck Artzner, Maite Paternostre, Frederic Lacombe, Merce Cardus, et al. “Spontaneous Fibrillation of the Native Neuropeptide Hormone Somatostatin-14.” Journal of Structural Biology 160, no. 2 (November 2007) : 211–23. doi:10.1016/j.jsb.2007.08.006.
16. Van Grondelle, Wilmar, Sophie Lecomte, Carmen Lopez-Iglesias, Jose-Maria Manero, Roland Cherif-Cheikh, Maite Paternostre, and Celine Valery. “Lamination and Spherulite-like Compaction of a Hormone’s Native Amyloid-like Nanofibrils : Spectroscopic Insights into Key Interactions.” Faraday Discussions 166 (2013) : 163–80. doi:10.1039/c3fd00054k.
17. Valéry, C., Deville-Foillard, S., Lefebvre, C., Taberner, N., Legrand, P., Meneau, F., Meriadec, C., Delvaux, C., Bizien, T., Kasotakis, E., Lopez-Iglesias, C., Gall, A., Bressanelli, S., Le Du, M.-H., Paternostre, M., and Artzner, F. (2015) Atomic view of the histidine environment stabilizing higher-pH conformations of pH-dependent proteins. Nat Commun. 6, 7771

Liste des brevets

B1] Nouveaux composés octapeptidiques et leur utilisation thérapeutique. Brevet européen EP2168983 (A1) déposée le 30 septembre 2008 aux noms de S.C.R.A.S. IPSEN-Pharma, C.E.A. et C.N.R.S avec extension mondiale WO2010037930 (A1) Publié le 31 mars 2010.
B2] Nouveaux composés octapeptidiques ayant une affinité pour certains sous-type de récepteur de la somatostatine. Brevet européen EP10290336.6 (A1) déposée le 22 juin 2011 aux noms de S.C.R.A.S. IPSEN-Pharma, C.E.A. et C.N.R.S.
B3] Aqueous sustained release compositions of LHRH analogs. Brevet européen EP 13290175.2 déposé le 29 juillet 2013 aux noms de S.C.R.A.S. IPSEN-Pharma, C.E.A. et C.N.R.S.

Contact


PATERNOSTRE Maité [Directeur de Recherche - CNRS]
Equipe Bressanelli S. - Interactions et mécanismes d'assemblage des protéines et des peptides
01 69 08 67 49 Saclay - Bât 532

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