Protéines amphitropiques : diversité conformationnelle et versatilité des interactions protéines-lipides. Cas d'étude de l'α-lactalbumine et de l'apo-myoglobine

by Grégory Vernier

Doctoral thesis in Biologie structurale et nanobiologie

Under the supervision of Vincent Forge.

defended on 2006

in Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

Alternative Title

Amhitropic proteins : conformational diversity and versatility of proteins-lipids interactions. A case study of alpha-lactalbumin and apomyoglobin

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keywords

• Protéines amphitropiques
• Vésicules lipidiques
• Interactions protéines-lipides
• Echanges H
• D
• Lactalbumines
• Myoglobine

Abstract

Certaines protéines, appelées protéines amphitropiques, sont solubles en milieux aqueux et capables de se lier aux membranes pour leurs activités biologiques. Ces protéines apparaissent comme d'excellents modèles pour la compréhension des principes généraux de stabilité et de repliement des protéines membranaires intrinsèques. L'a-lactalbumine et l'apo-myoglobine ont été choisies comme modèles de protéines amphitropiques. Nous proposons une étude exhaustive des facteurs qui influencent la liaison aux membranes de ces deux protéines telles que le pH, la présence de cofacteurs, la force ionique, la charge et la courbure des membranes. Une description macroscopique des mécanismes de liaison a été entreprise par des expériences de centrifugation et de fluorescence. Enfin, la structure et la stabilité des états liés aux membranes ont été sondées par des expériences d'échanges hydrogène/deutérium (H/D). L'état confonnationnel de l'a-lactalbumine liée aux membranes s'est révélé très dépendant de la courbure membranaire. Nous avons identifié deux hélices amphiphiles qui sont directement impliquées dans les interactions a-lactalbumine-lipides. D'autre part, nos expériences d'échanges H/D pennettent une description thennodynamique de la liaison à la membrane. Dans le cas de l'apomyoglobine, nos résultats suggèrent un mécanisme commun d'insertion membranaire pour les protéines qui possèdent une topologie de type globine. Par ailleurs, la liaison de l'apo-myoglobine aux membranes ne semble pas nécessaire pour la fonction biologique de cette protéine. Une description des structures membranaires de l'apo-myoglobine a été entreprise par des expériences d'échanges H/D suivies par spectrométrie de masse.

Abstract

Besides transmembrane proteins, sorne soluble proteins, the so-called amphitropic proteins, are driven to interact with membranes at one stage of their biological activity. Such proteins are excellent models to provide insight into the interactions between proteins and membranes. A-Iactalbumin and apomyoglobin was chosen as model of amphotropic proteins. The effect of the proton and cofactor together with those of the physicochemical properties of the lipid bilayer, such as the curvature and the charge of the membrane, are investigated. We perfonned centrifugation and fluorescence measurements to follow the binding of proteins to membranes. We also present H/D exchange experiments perfonned to characterise the state of the proteins when bound to vesic1es and their sites of interaction with the membranes. Our results show that the confonnational state of a-Iactalbumin depends of membrane curvature. The regions anchoring the protein to the membrane are restricted to amphiphilic helices. H/D exchange experiments monitored by NMR also yield residue-Ievel data that constitute comprehensive infonnation providing a new point of view on the thennodynamics of the interactions between the protein and the membrane. Ln the case of apomyoglobin, our results suggest sorne inherent properties of the globin fold propitious to the interactions with lipid bilayers. Ln addition, the binding of apomyoglobin to membranes does not seem necessary for its biological activity. A molecular description of the membrane-binding states has been undertaken using H/D exchange experiments monitored by mass spectrometry.