Un tournant essentiel dans la connaissance des relations. Structure - fonction - activité de l’élastine

A critical turn in the knowledge of the structure / function / activity relationships of elastin

Laboratoire de Spectroscopies et Structures BioMoléculaires (LSSBM, EA 3305) Université de Reims Champagne - Ardenne (URCA), Institut Fédératif de Recherches FR53 « Biomolécules », Faculté des Sciences Exactes et Naturelles, B.P. 1039, 51 687 Reims Cedex 2, Champagne, France. (alain.alix@univ-reims.fr)

Résumé

Dans cette revue, nous présentons les récents et nouveaux résultats de notre groupe de recherche sur la structure moléculaire (à l’échelle atomique) de la tropoélastine, de l’élastine et de peptides dérivés de l’élastine, étudiée par des méthodes bio-informatiques (prédictions théoriques et modélisations moléculaires) couplées à des études expérimentales en dichroïsme circulaire.

Dans une première partie, l’étude des types de coudes β (à partir de l’utilisation de notre logiciel COUDES = Chercher Où Une Déviation Existe Sûrement) et de leur distribution le long de la séquence, est présentée en détail. Le résultat le plus fondamental obtenu est que cette distribution, qui n’est pas aléatoire, permet d’expliquer l’élasticité intra-moléculaire de l’élastine qui pourrait bien être la conséquence directe de transitions conformationnelles impliquant des coudes β (« glissants ») et de courts brins β. Ce résultat est d’un grand intérêt dans la construction, par biologie moléculaire, de biomatériaux élastiques dérivés de la séquence de l’élastine (en particulier, les peptides correspondant à la séquence exon 21 – exon 24 – exon 24 –...)).

Dans une deuxième partie, cette étude permet également de prédire les conformations de certains peptides dérivés d’élastine possédant certaines activités biologiques. Ainsi certains peptides, dérivant des permutations circulaires de la séquence VGVAPG et 2 autres peptides, PGAIPG (de la tropoélastine) et LGTIPG (de la laminine), possèdent des propriétés stimulantes vis-à-vis de l’activation et de la production de la MMP-1. Les résultats obtenus par spectroscopie de dichroïsme circulaire laissent supposer un mécanisme dépendant de la structure. L'utilisation de méthodes de prédictions de structures coudées révèle la possibilité d’un coude de type VIII sur les 4 premiers résidus de la séquence consensus GXXPG présente dans tous les peptides actifs. Nous avons ainsi démontré, par des méthodes de mécanique et dynamique moléculaires, que les peptides actifs présentent tous une structure tridimensionnelle (« active ») contenant un coude β GXXP voisin du type VIII. Le rôle structural de la glycine terminale a aussi été précisé. Des simulations numériques complémentaires effectuées sur (VGVAPG)₂ et (VGVAPG)₃ conduisent respectivement à la formation de deux et trois coudes de type VIII, indiquant que ce motif est bien une conformation préférentielle.

Le but de ce type de travail est ainsi de mieux comprendre et expliquer la relation séquence / structure/ fonction / activité biologique des peptides d’élastine régissant ce type de régulation, et de proposer des séquences spécifiques correspondant à une structure tridimensionnelle « active » (de type coude structuré) possédant une plus grande efficacité.

Abstract

In this review are presented the last new results of our research group dealing with the molecular structures (atomic level) of tropoelastin, elastin and elastin derived peptides studied by using essentially methods of bioinformatics (theoretical predictions and molecular modelling) linked to experimental circular dichroism spectroscopic studies.

We already had characterized both the local secondary structure and some parts of the tertiary structure of the tropoelastin and elastin molecules (human, bovine...), by using either theoretical predictions (local secondary structure, linear epitopes...) and/or experimental data (optical spectroscopic methods : Raman scattering, infrared absorption, circular dichroism). Except the cross-linking regions which are in helical conformations, the whole tropoelastin structure displays a lot of β-reverse turns which usually belong to irregular structures in proteins. These turns play a key role in other regularly structures orientation (α-helix, β-strand), thus they are very important in the native protein 3D architecture. It is particularly true for human tropoelastin, because its sequence is rich in glycines and prolines, and these residues are frequently met in β-turns (a β-turn is made of four consecutive residues which are stabilized by an hydrogen bond). Several types of β-turns can be defined with the dihedral angles values ϕ and ψ of the two central residues. Thus, by using a very recent updated set of propensities for the amino acid residues to belong to given types of reverse β-turns (extracted from a reference set of known 3-D structures of globular proteins), we have determined, (by using our home made software COUDES), for all possible tetrapeptides of the human tropoelastin sequence, the distribution and the characterization of the possible type of turns. Thus, it is shown that the locations and/or the types of these reverse β-turns reveal a regularity and are not all random. This confirms our hypothesis that intra-molecular elasticity of tropoelastin could be explained by the possibility of transitions between conformations involving short β-strands and β-turns. This result is of great interest in the construction (by using molecular biology) of elastic biomaterials derived from the elastin sequence (particularly, the elastin derived peptides corresponding to the sequence exon 21 – (exon 24 – exon 24...).

Our study permit also to predict the conformations of specific elastin derived peptides which could have interesting biological activity. Peptides resulting from the degradation of elastin, the insoluble polymer of tropoelastin and responsible for the elasticity of vertebrate tissues, can induce biological effects and notably the regulation of matrix metalloproteinases (MMP-s) activity. Recently, it was proposed that some elastin derived hexapeptides resulting from circular permutations of VGVAPG (a three fold repetition sequence in exon 24 of human tropoelastin) possess MMP-1 production and activation regulation properties. This effect depends on the presence of the tropoelastin specific membraneous receptor 67 KDa EBP (Elastin Binding Protein). Our results obtained by using both circular dichroism spectroscopy and linear predictions confirmed the hypothesis of a structure dependant mechanism with a possibly occurring type VIII β-turn on the first four residues of the GXXPG sequence consensus which is only present among all active peptides. Thus, we have performed extensive molecular dynamics studies, in both implicit and explicit solvent, on these active and inactive elastin derived hexapeptides. Using our own analysis method of pattern recognition of the types of the - reverse-turns followed during the molecular dynamics trajectory, we found that active and inactive peptides effectively form two well distinct conformational groups in which active peptides preferentially adopt conformation close to type VIII GXXP (β-reverse-turn. The structural role of the C terminal G residue could also be explained. Additional molecular simulations on (VGVAPG)₂ and (VGVAPG)₃ show the formation of two or three GXXP tetrapeptides adopting a structure close to type VIII β-reverse-turn, suggesting a local conformational preference for this motif. This observation of a specific structural single and/or repeated motif is in agreement with the circular dichroism spectra of the involved (VGVAPG)₁, (VGVAPG)₂ and (VGVAPG)₃ peptides and then it can be proposed that their biological activities have to be linear.

The final aim of this type of work is to understand more about the sequence/structure/function/activity relationships of those structured peptides in order to propose specific sequences (corresponding to specific structures) for best biological activity results.