Etude cristallographique et analyse pression-réponse des interactions du xénon et du protoxyde d'azote, seuls ou en mélange, avec les protéines : implications pour les mécanismes de l'anesthésie et de la neuroprotection par les gaz

Crystallographic study and pressure-response analysis of xenon and nitrous oxide binding mode, alone or in mixture, on proteins : implications for neuroprotection and anaesthesia mechanisms

• Auteur / Autrice : Guillaume Marassio
• Direction : Nathalie Colloc'h
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique enzymatique

Radiocristallographie

Relations dose-effet

Protéines -- Fixation

Xénon

Protoxyde d'azote

Résumé

Le xénon (Xe) et le protoxyde d’azote (N2O), deux gaz anesthésiques et neuroprotecteurs, inhibent les récepteurs NMDA, et n’ont pas d’effet sur les récepteurs GABAA, cibles habituelles des anesthésiques. Les travaux de l’équipe avaient montré que le Xe et le N2O possédaient des propriétés neuroprotectrices similaires et qu’ils partageaient des sites de liaison communs dans deux protéines modèle où ils induisaient une expansion du site de liaison corrélée avec les effets physiologiques des gaz. Pour mieux comprendre le mode d’action du Xe et du N2O, nous avons étudié la liaison du Xe et du N2O, seuls ou en mélange équimolaire, sur cinq protéines globulaires (trois enzymes et deux globines) par cristallographie sous pression de gaz et analyse pression-réponse et nous avons effectué des mesures d’activités enzymatiques en présence de gaz sur deux des enzymes. Nos résultats mettent en évidence la régulation de l’affinité gaz – protéine par l’accessibilité, la taille et l’hydrophobicité du site de liaison et la capacité des gaz à induire de manière directe ou indirecte des modifications fonctionnelles sur les protéines. Nous proposons un mécanisme commun pour l’anesthésie et la neuroprotection dans lequel la présence du gaz et l’expansion du volume de son site de liaison induiraient une modification de la flexibilité de la protéine, entrainant des perturbations fonctionnelles. Enfin, l’utilisation du mélange Xe:N2O, qui semble induire des effets similaires au xénon seul dans nos modèles pourrait avoir un intérêt éventuel en vue d’une utilisation thérapeutique en neuroprotection en réduisant le coût très élevé du xénon.

Xenon (Xe) and nitrous oxide (N2O) are both anesthetics and neuroprotective gases that inhibit NMDA receptors, but had no effects on GABAA receptor, usual target for anesthetics. Previous studies of the group have shown that Xe and N2O have similar neuroprotective properties and that they share common binding site on two proteins where they induce a binding site expansion correlated with gas physiological effects. To understand how Xe and N2O act on proteins, we have studied binding mode of Xe and N2O, alone or in mixture, on five globular protein (three enzymes and two globins) using crystallography under gas pressure and pressure-response analysis, and we performed enzymatic assays in presence of gas on two of the three enzymes. Our results clearly demonstrate that protein – gas affinity is regulated by the accessibility, the size and the hydrophobicity of the gas binding site and that gas is able to induce protein function perturbation through a direct or indirect mechanism. We further propose a common mechanism for anesthesia and neuroprotection where the presence of gas and the gas-induced expansion of its binding site would induce a modulation of the protein flexibility leading to functional perturbation. Finally, using Xe:N2O mixture which seems to induce similar effects than pure xenon in our model could be useful in neuroprotection therapy by reducing the excessive cost of xenon.