Mieux comprendre le mécanisme d’actiondes anticorps catalytiques


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Linus Pauling (1) a proposé en 1948 de combler la distance qui sépare les enzymes, caractérisées par une forte affinité pour l’état de transition des réactions qu’ils catalysent, et les anticorps, qui se fixent aux molécules dans leur état de base (2) . Si l’on suit cette idée, il doit être possible d’obtenir des anticorps catalysant une réaction donnée -des abzymes (3) , pourvu que l’on soit capable de synthétiser un analogue stable et immunogène de l’état de transition de cette réaction. Les abzymes occupent une position particulière à la croisée de l’immunologie et de la chimie : les rôles de ces deux disciplines sont inversés par rapport à leur position dans les sciences de la vie, où l’explication réductionniste des mécanismes régissant les êtres vivants utilise le plus souvent l’apport de la chimie. Ici la finalité est «chimique», mais on s’appuie sur les acquis de l’immunologie, par le biais des anticorps monoclonaux, et sur les techniques de génie génétique.

A ce jour, de nombreuses réactions ont été catalysées par des anticorps, mais la seule classe de réactions pour laquelle il existe plus d’un ou deux exemples de catalyse par un abzyme est celle des hydrolyses d’esters ; les anticorps impliqués sont le plus souvent obtenus par immunisation avec des phosphonates, des esters de l’acide phosphonique (R-PO3H). Lorsqu’on obtient un abzyme, les trois caractéristiques essentielles de la catalyse enzymatique sont observées : accélération de la réaction, spécificité et multiplicité des cycles catalytiques. Même dans la famille des abzymes «estérases», très peu d’études de mécanisme existent.

Les anticorps sont des protéines de poids moléculaire relativement élevé (150 000 daltons) dont la stucture s’avère assez difficile à déterminer. Fort heureusement, seule une petite partie des deux chaînes polypeptidiques constituant un anticorps est directement impliquée dans la fixation de la molécule qui est reconnue, l’antigène ; cette partie de l’anticorps constitue le site recom-binant (4) , et c’est elle qui est active dans un abzyme. On peut isoler un fragment de poids moléculaire 50 000 daltons de l’anticorps -noté Fab, «antigen binding»- qui contient le site recombinant.

Les chercheurs d’Orsay ont ainsi déterminé la structure du fragment Fab d’un anticorps ayant une activité d’estérase ; cet anticorps accélère la réaction d’un facteur 1600, et l’on observe une spécificité satisfaisante vis à vis du substrat. Cet anticoprs a été obtenu par immunisation avec un analogue de l’état de transition de cette réaction, un composé qui porte un groupe phosphonate, et qui est un inhibiteur compétitif de la réaction catalytique.

Cette première structure du site recombinant d’un anticorps catalytique permet déjà une analyse d'un aspect particulièrement intriguant de ces protéines : quelle est la corrélation entre les résidus présents dans le site recombinant et la molécule utilisée pour l’immunisation ayant produit l’anticorps ? En ce qui concerne cette question, une caractéristique évidente du composé analogue de l'état de transition est le caractère électronégatif de ses groupements phosphonate (CH3-PO3-) et nitro (NO2). On s’attend donc à ce que la présence de groupements carboxylates (COO-) dans le site recombinant soit défavorisée : ceux-ci auraient en effet des interactions répulsives avec le composé-phosphonate et diminueraient l’affinité de l’anticorps. Et en effet, l’examen de la structure montre que les groupements carboxylates sont totalement absents du site recombinant de l’anticorps.

La structure que les chercheurs ont déterminée contient le fragment Fab seul ; en se basant sur ce résultat, il est possible de proposer un modèle raisonnable du complexe avec le composé-phosphonate (5) .

Cette structure définit un cadre pour la réflexion sur un anticorps catalytique particulier ; elle devrait rapidement être complétée par celle d’un complexe avec un analogue de l’état de transition, dont l’affinement est en cours. D’autres structures, combinées à des études de réactivité et d’enzymologie, sont nécessaires pour comprendre les mécanismes d’action de ces macromolécules. On pourra alors envisager de mettre à profit la caractéristique essentielle des anticorps, une spécificité exquise et modulable en fonction du substrat que l’on définit, et ce plus particulièrement pour catalyser des réactions pour lesquelles aucun enzyme n’est disponible.

Enfin le domaine de l’étude des anticorps catalytiques illustre bien la nécessité de l’interdisciplinarité : il requiert la collaboration de chimistes, d’immunologistes, d’enzymologistes, de biologistes moléculaires et de cristallographes. Ce travail a été lui-même réalisé dans le cadre d’une collaboration avec des équipes de chimistes (D. B. Green, D. Tawfik, Département de chimie pharmaceutique, Université hébraïque de Jérusalem) et d’immunologistes (Z. Eshhar, Institut Weizmann, Rehovot) ; il est poursuivi dans un laboratoire du département des Sciences de la vie, par des chercheurs des départements des Sciences chimiques et des Sciences physiques et mathématiques.

Notes :


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Linus Pauling, né en 1901, prix Nobel de chimie en 1954 et prix Nobel de la paix en 1962, est décédé en août 1994.


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L’état de transition est, au cours du cheminement de la réaction, le point de passage où l’énergie est la plus élevée. L’état de base correspond à l’état thermodynamiquement le plus bas.


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Le mot abzyme est un néologisme venant de la contraction de ab (antibody en anglais) et de zyme (enzyme).


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Le site recombinant est le site par lequel l’anticorps se fixe à l’antigène.


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Pour catalyser l’hydrolyse de l’ester, l’anticorps stabilise mieux l’analogue de l’état de transition (le composé-phosphonate) que l’ester. Ce modèle (cf. figure) permet de rendre compte de cette différence d’affinités. L’état de transition est fixé par des liaisons hydrogène avec une arginine et deux tyrosines, situées aux deux extrémités du site. Ces liaisons hydrogènes ne pourraient pas être établies avec le substrat, en raison des configurations spatiales différentes du phosphonate et du groupement acyle.

Référence :

- B. Golinelli-Pimpaneau [et collab.] (1994). Cristal structure of a catalytic antibody Fab with esterase-like activity. Structure, 2, 175-183.