Vers un nouveau mode d’action de peptides antimicrobiens structurés en feuillets β : formation de domaines membranaires par la cateslytine

Abstract

Le peptide antimicrobien Cateslytine (bCGA RSMRLSFRARGYGFR ) inhibe la libération des catécholamines des cellules chromaffines. Des études biologiques ont montré que ce peptide est capable d’inhiber aussi la croissance de nombreux microorganismes notamment des bactéries, des levures ainsi que le parasite Plasmodium falciparum responsable de la malaria. Cependant, le mode d’action moléculaire demeurait inconnu. Afin de mieux comprendre le ciblage et la sélectivité de ce peptide sur les membranes de mammifères ou de microorganismes, nous avons donc envisagé la reconstitution du système biologique composé initialement de peptides en contact avec des cellules, en le substituant par des modèles de membrane, de composition mimant celle des différents microorganismes. Des études structurales ont été menées en utilisant la technique d’ATR-FTIR polarisé, le dichroïsme circulaire et la RMN à haute résolution. La dynamique membranaire a été étudiée en utilisant la RMN des solides du phosphore et du deutérium. Des expériences de patch-clamp ont été effectuées afin de mesurer des flux d’ions au travers de la membrane. Enfin, de la simulation par ordinateur a permis de comprendre cette interaction au niveau moléculaire. Trois résultats principaux sont ressortis de cette approche pluridisciplinaire : i) Des flux ioniques au travers de la membrane attestent de la présence de cannaux. ii) La formation de domaines membranaires rigides constitués de lipides chargés négativement est démontrée. iii) Une structuration des peptides en feuillets β antiparallèles est observée sur des membranes chargées négativement mimant les microorganismes. L’ensemble de ces résultats conduit à la proposition d’un mode d’action dans lequel la déstabilisation membranaire est induite par les domaines rigides stabilisés par les agrégats de peptides structurés en feuillets β.

The antimicrobial peptide Cateslytin (bCGA RSMRLSFRARGYGFR ) is a five positively charged arginin rich peptide known to inhibit the release of catecholamine in chromaffin granules. Although biological data showed that it is able to inhibit the growth of several microorganisms such as bacteria, yeast and Plasmodium falciparum parasite involved in malaria, the mechanism of action has not been yet studied. In order to better understand both targeting and selectivity of this peptide towards microorganisms, model membranes of variable compositions have been chosen to respectively mimic microorganisms or mammalian membranes. Structural studies have been performed using polarised ATR-FTIR, circular dichroïsm and high resolution NMR Membrane dynamics has been followed using deuterium labelled lipids and solid state NMR Patch clamp experiments were also performed on lipid vesicles to measure channe conductivity. All-atom molecular dynamics on hydrated peptide-lipid membrane systems was also used to assess the interaction from the atomic level. Main results from this interdisciplinary approach are three-fold. i) Electric current passages through membranes demonstrate permeation akin to pore formation. ii) Peptide-induced formation of rigid domains mainly made of negatively charged lipids is found. iii) Peptide antiparallel β-sheets are observed preferentially with negatively charged lipids mimicking microorganism membranes. The general picture leads to the proposal that membrane destabilization/permeation is promoted by rigid domains stabilised by peptide β-sheets.