L’interaction fasciculine-acétylcholinestérase

The fasciculin-acetylcholinesterase interaction

Ingénierie des Protéines CNRS UMR 6560, Institut Fédératif de Recherche Jean Roche, Université de la Méditerranée, F-13916 Marseille cedex 20, France.

Résumé

L’acétylcholinestérase (AChE) est une enzyme-clé du mécanisme de transmission cholinergique. Les fas- ciculines, petites protéines « à trois doigts » isolées des venins de serpent mamba, sont des inhibiteurs puissants et sélectifs des AChEs de mammifères et poissons électriques. L’interaction fasciculine-AChE constitue un exemple parfait d’interaction entre une toxine animale et son récepteur macromoléculaire. En effet, par leur sélectivité, leur remarquable affinité, leur caractère d’inhibiteur allostérique, et leur nature protéique (donc accessible à la chimie des protéines et la biologie moléculaire), les fasciculines constituent des outils de choix, « scalpels moléculaires » pour l’étude de l’AChE. Les travaux présentés dans ce chapitre ont été menés selon une approche multidisciplinaire faisant intervenir des techniques distinctes, mais complémentaires, ainsi que de nombreuses collaborations. Les résultats obtenus contribuent à la définition des bases structurales et dynamiques non seulement des mécanismes d'inhibition de l’AChE par les fasciculines, mais également de la fonctionnalité du site périphérique de l’AChE, site distinct du site catalytique et doué de propriétés régulatrices.

Abstract

Acetylcholinesterase (AChE) terminates the action of the neurotransmitter acetylcholine at cholinergic synapses in the central and peripheral nervous systems. Fasciculins, which belong to the family of “three-fingered” snake toxins, selectively inhibit mammalian AChEs with Ki values in the picomolar range. In solution, the cationic fasciculin appears to bind to the enzyme’s peripheral anionic site, located near the mouth of the gorge leading to the active center, to inhibit catalysis either allosterically or by creating an electrostatic barrier at the gorge entry (or both). Yet the crystal structure of the fasciculinmouse AChE complex, which shows that the central loop of fasciculin fits snugly at the entrance of the gorge, suggests that the mode of action of fasciculin is steric occlusion of substrate access to the active center. Mutagenesis of the fasciculin molecule, undertaken to establish a functional map of the binding surfaces, identified determinants common to those identified by the structural approach and revealed that only a few of the many fasciculin residues residing at the complex interface provide the strong contacts required for high affinity binding and enzyme inhibition. However, it did not reconcile the disparity between the kinetic and structural data. Finally, the crystal structure of mouse AChE without bound fasciculin shows a tetrameric assembly of subunits; within the tetramer, a short loop at the surface of a subunit associates with the peripheral site of a facing subunit and sterically occludes the entrance of the active center gorge. The position and complementarity of the peripheral site-occluding loop mimic the characteristics of the central loop of fasciculin bound to AChE. This suggests not only that the peripheral site of AChE is a site for association of heterologous proteins with interactive surface loops, but also that endogenous peptidic ligands of AChE sharing structural features with the fasciculin molecule might exist.