17. novembre 2013

Comment le botox se lie aux cellules nerveuses

Communiqués de presse Biologie Recherche avec la lumière synchrotron L'Homme et la santé

Des chercheurs élucident le mécanisme de liaison de la toxine botulique de type A au récepteur protéique, et fournissent ainsi une base pour de nouveaux médicaments

La toxine botulique de type A, mieux connue sous le nom de botox, est un poison extrêmement dangereux, qui provoque des paralysies chez l’être humain, et peut s’avérer mortelle. En usage cosmétique, cet effet paralysant est exploité à petites doses, de manière ciblée, pour éliminer temporairement les rides. En médecine, il est utilisé, par exemple, pour traiter les migraines ou corriger le strabisme. Une équipe de chercheurs de l’Institut Paul Scherrer, de l’Université d’Utrecht et de la firme pharmaceutique UCB, vient de réaliser un pas important dans la compréhension de l’effet de la toxine botulique de type A. Ils ont déterminé par rayons X la structure cristalline d’un complexe protéique, qui montre précisément le mécanisme de liaison de la molécule de toxine au récepteur protéique Synaptic Vesicle Protein 2, qui se fixe sur la cellule nerveuse, bloquant ainsi son activité. Ces résultats peuvent s’avérer utiles pour le développement de meilleurs médicaments à base de botox, avec lesquels le risque de surdosage serait moins important qu’aujourd’hui. La structure a été déterminée à la Source de Lumière Suisse de l’Institut Paul Scherrer. Les résultats paraissent dans la célèbre revue scientifique Nature.



Chez l’être humain, la consommation de conserves de viande avariées peut provoquer le botulisme: un empoisonnement s’accompagnant de paralysies, qui peuvent être fatales. La faute, entre autres, à la toxine botulique de type A., produite par la bactérie Clostridium botulinum, qui ne peut proliférer que dans l’atmosphère exempte d’oxygène de la boîte de conserve. La toxine attaque les cellules nerveuses et inhibe la transmission de signaux nerveux aux muscles. Au cours des dernières années, de plus en plus d’applications pratiques de cette toxine se sont développées. Son usage cosmétique, sous le nom de botox, est particulièrement bien connu du grand public. Injectée sous la peau, la toxine entraîne un relâchement des muscles, et une disparition temporaire des rides. La substance est aussi fréquemment utilisée en médecine, par exemple pour traiter les migraines. Chez les personnes qui souffrent de strabisme, la toxine botulique de type A permet un relâchement léger et ciblé d’un muscle de l’œil, ce qui normalise la vision.

Le rayonnement synchroton révèle la structure du complexe protéique

Pour que la toxine botulique puisse déployer son effet, une étape est fondamentale : la molécule de toxine doit se lier avec la vésicule synaptique nommée Synaptic Vesicle Protein 2, une molécule du récepteur protéique de la cellule nerveuse. La liaison entre le récepteur et la molécule de toxine botulique de type A entraîne une cascade de réactions. Résultat : la cellule nerveuse ne peut plus produire les signaux nerveux, qui normalement déclenchent les mouvements du muscle. Une équipe internationale, emmenée par Richard Kammerer du Laboratoire de recherche biomoléculaire de l’Institut Paul Scherrer, a réussi à déterminer la structure exacte, et donc les interactions moléculaires, entre le botox et le récepteur. Pour ce faire, les scientifiques ont étudié le complexe formé par ces deux molécules. Ils voulaient notamment comprendre en détail le mécanisme qui les maintient assemblées. « Nos résultats représentent une étape importante pour mieux comprendre le mode d’action de la toxine botulique de type A », explique Richard Kammerer. Pour la détermination des structures, les chercheurs ont appliqué le procédé de la cristallographie des protéines. Cela consiste à produire d’importantes quantités de molécules et de les ordonner au sein d’une structure régulière (cristal). Ce cristal est ensuite radiographié aux rayons X produits par la Source de Lumière Suisse. Le fait que les rayons X soient déviés par les molécules au sein du cristal représente le fondement de cette technique. On obtient ainsi des diagrammes de diffraction, à partir desquels les chercheurs peuvent ensuite déterminer la structure atomique de la molécule étudiée.

Nouveaux médicaments possibles

Les résultats contribuent à mieux comprendre l’effet du botox, mais pourraient aussi être d’une grande utilité pratique. «Pour la toxine botulique de type A, la marge thérapeutique est très étroite, explique Roger Benoit, chercheur au PSI et premier auteur de la publication. Autrement dit, même un faible surdosage peut avoir un effet néfaste. Nos résultats devraient permettre de développer des médicaments avec un effet plus faible, où le risque de surdosage est moins important.»

Le film illustre en détail le mécanisme par lequel la molécule de toxine botulique de type A (botox) se lie à un récepteur de la membrane cellulaire de la cellule nerveuse, dont la toxine bloque l’activité.
La structure cristalline du complexe, entre le domaine de liaison du récepteur de la toxine botulique de type A (BoNT/A-RBD, en vert) et le domaine luminal de son récepteur protéique Synaptic Vesicle Glycoprotein 2 (SV2C-LD, en bleu), révèle les détails moléculaires précis du mécanisme de liaison de la toxine à la SV2C-LD. Les représentations boule et bâton qui apparaissent dans l’agrandissement représentent les acides aminés situés à l’interface entre le récepteur et la toxine. Les acides aminés qui apparaissent par la suite, dans le film, sur la partie intérieure de la SV2C-LD sont les phénylalanines formant le cœur du domaine du récepteur.

À propos du PSI
L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, énergie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.
Contact
Richard A. Kammerer PhD, Laboratoire pour la recherche biomoléculaire, Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI, Suisse
Tél: +41 (0)56 310 4765; e-mail : richard.kammerer@psi.ch
Publication originale
Structural basis for recognition of synaptic vesicle protein 2C by botulinum neurotoxin A
Roger M. Benoit, Daniel Frey, Manuel Hilbert, Josta T. Kevenaar, Mara M. Wieser, Christian U. Stirnimann, David McMillan, Tom Ceska, Florence Lebon, Rolf Jaussi, Michel O. Steinmetz, Gebhard F.X. Schertler, Casper C. Hoogenraad, Guido Capitani and Richard A. Kammerer
Nature Advance Online Publication 17 November 2013
DOI: 10.1038/nature12732