Etude de la structure et de la dynamique de la protéine HSP90 par dynamique moléculaire et résonance magnétique nucléaire

Study of the structure and dynamics of HSP90 by molecular dynamics and nuclear magnetic resonance

• Auteur / Autrice : Elisa Rioual
• Direction : Jérôme Boisbouvier, Claire Loison
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Kieffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Jamet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ewen Lescop, Phuong Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines -- Analyse

Résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Hsp90

Structure

Dynamique

Rmn

Md

Etats rares

Hsp90

Structure

Dynamic

Nmr

Md

Rare states

Résumé

Depuis 30 ans, les cas de cancer sont en hausse. Le développement de traitements est un défi pour améliorer le taux de guérison et la survie des personnes atteintes. Il est important d’avoir une connaissance précise de la structure et la dynamique des protéines cibles. La résonance magnétique nucléaire (RMN) permet d’étudier la structure des protéines en solution. En la couplant à la simulation, on obtient des informations précieuses sur la dynamique. Pourtant, la caractérisation d’états rares importants pour la fonction de la protéine reste difficile. Mes recherches portent sur un chaperon humain (la protéine de choc thermique 90, de l’anglais Heat Shock Protein 90 ou HSP90) : son rôle est d’aider et de maintenir le repliement de ces protéines clientes. Si son activité est modifiée, cela peut entraîner la propagation de tumeurs. La structure de cette protéine a été très étudiée dans le but de développer des thérapies qui visent à modifier son activité. La majorité d’entre elles cible le domaine N-terminal du chaperon et entraîne des effets secondaires importants. Des études préalables à ma thèse ont montré qu’un équilibre entre différentes conformations préexisterait à la liaison de ligands et leurs liaisons entraîneraient un ajustement en stabilisant une conformation de la protéine. Mais, cet équilibre n’est ni totalement compris ni décrit. Il est important d’avoir une description fine du domaine N-terminal de ce chaperon afin d’optimiser la conception de ligands thérapeutiques.Je présente ici une étude de la structure et de la dynamique par résonance magnétique nucléaire et modélisation moléculaire du domaine N-terminal du chaperon HSP90. J’ai calculé, à l’aide de contraintes de distance, la structure de l’état fondamental de HSP90 en solution. Un segment dynamique participant à l’interaction de la protéine avec ses ligands, appelé ATP-lid, peuple une conformation appelée "ouverte" préalablement observée dans les structures cristallographiques disponibles. L’ATP-lid peuple aussi une conformation dite "fermée", distante de plus de 30 Å de la conformation ouverte. Cette conformation correspond à un état rare fonctionnel de HSP90-NTD que j’ai caractérisé, pour la première fois. Sa description précise est primordiale pour la conception de thérapies. Puis, à l’aide d’expérience CPMG relaxation dispersion, j’ai démontré que plusieurs échanges conformationnels, avec différentes cinétiques, sont détectables par RMN dans la gamme de temps μs-ms. Pour étudier la stabilité des structures calculées à l’aide de contraintes de distance dérivées de l’expérience RMN, j’ai simulé la dynamique pour une durée totale de 20 μs pour chacun des états en utilisant le supercalculateur Jean Zay (IDRIS, CNRS), qui dispose de puissantes cartes graphiques. J’ai analysé cette importante quantité de données pour savoir comment la structure 3D évolue au cours du temps avec une précision atomique. Finalement, j’ai pu étudier le chemin réactionnel le plus probable entre ces conformations avec la méthode de cordes par force moyenne (de l’anglais mean force string method).Mon travail entre l’équipe de RMN biomoléculaire de Grenoble et l’équipe de physicochimie théorique à Lyon m’a permis de développer une approche interdisciplinaire pour caractériser pour la première fois la structure et la dynamique d’un état rare fonctionnel du NTD de HSP90 humaine, une cible thérapeutique importante. Ces recherches permettront d’avoir une description précise de la structure et la dynamique des protéines afin d’améliorer la conception rationnelle de ligands à visée thérapeutique.

For 30 years, cases of cancer have been on the rise. The development of treatments is a challenge to improve the cure rate and the survival of those affected. It is important to have a precise knowledge of the structure and dynamics of the target proteins. Nuclear magnetic resonance (NMR) is used to study the structure of proteins in solution. By coupling it to simulation, we obtain valuable information on the dynamics. However, the characterization of rare states important for the function of the protein remains difficult. My research focuses on a human chaperone (the heat shock protein 90 or HSP90), whose role is to help and maintain the folding of these client proteins. If its activity is changed, it can lead to the spread of tumors. The structure of this protein has been extensively studied with the aim of developing therapies that aim to modify its activity. The majority of them target the N-terminal domain of the chaperone and cause significant side effects. Studies prior to my thesis showed that a balance between different conformations would preexist the binding of ligands and that their bindings would lead to an adjustment by stabilizing a conformation of the protein. But this balance is not fully understood or described. It is important to have a detailed description of the N-terminal domain of this chaperone in order to optimize the design of therapeutic ligands.I present here a study of the structure and dynamics by nuclear magnetic resonance and molecular modeling of the N-terminal domain of the HSP90 chaperone. I calculated, using distance constraints, the ground state structure of HSP90 in solution. A dynamic segment participating in the interaction of the protein with its ligands, called ATP-lid, populates a so-called "open" conformation previously observed in available crystallographic structures. ATP-lid also populates a so-called "closed" conformation, more than 30 Å distant from the open conformation. This conformation corresponds to a rare functional state of HSP90-NTD that I characterized for the first time. Its precise description is essential for the design of therapies. Then, using the CPMG relaxation dispersion experiment, I demonstrated that several conformational exchanges, with different kinetics, are detectable by NMR in the time range μs-ms. To study the stability of the structures calculated using distance constraints derived from the NMR experiment, I simulated the dynamics for a total duration of 20 μs for each of the states using the Jean Zay supercomputer (IDRIS, CNRS), which has powerful graphics cards. I analyzed this large amount of data to find out how the 3D structure evolves over time with atomic precision. Finally, I was able to study the most probable reaction path between these conformations with the mean force string method.My work between the biomolecular NMR team in Grenoble and the theoretical physicochemistry team in Lyon allowed me to develop an interdisciplinary approach to characterize for the first time the structure and dynamics of a rare functional state of the NTD of human HSP90, an important therapeutic target. This research will provide a precise description of the structure and dynamics of proteins in order to improve the rational design of ligands for therapeutic purposes.