Une étude décrypte la structure 3D complexe d’un aptamère d’ADN pour la théranostique des maladies

Dans une étude publiée dans PNASune équipe de recherche a résolu la première structure haute résolution de l’aptamère d’ADN sgc8c qui cible la protéine tyrosine kinase 7 (PTK7), a conçu deux variantes optimales de sgc8c pour la théranostique des maladies de manière efficace et a révélé de nouveaux principes pour l’organisation structurelle et fonctionnelle sophistiquée des molécules d’ADN.

Les aptamères sont des acides nucléiques fonctionnels qui ont de nombreuses applications dans le diagnostic clinique et l’administration ciblée de médicaments. La forte affinité de liaison et la spécificité d’un aptamère pour sa cible protéique dépendent de sa structure tridimensionnelle (3D) complexe.

La structure 3D d’un aptamère en complexe avec son partenaire protéique permet de comprendre et d’optimiser sa fonctionnalité. Cependant, la structure complexe est difficile à obtenir en raison de l’hétérogénéité conformationnelle de l’aptamère et/ou de la protéine, et les structures 3D des molécules d’ADN, qui sont perçues comme dépourvues d’interactions tertiaires de type ARN, restent largement inexplorées.

Sgc8c est un aptamère d’ADN de 41 nt criblé par SELEX cellulaire pour cibler les cellules leucémiques. La cible moléculaire de sgc8c est PTK7, une pseudokinase réceptrice transmembranaire surexprimée dans divers types de cancers.

En raison de sa forte affinité de liaison et de sa spécificité pour les cibles protéiques et cellulaires, le sgc8c est devenu l’un des aptamères d’ADN les plus utilisés dans la théranostique du cancer. Cependant, la base structurelle sous-jacente à la fonctionnalité du sgc8c reste insaisissable, et la compréhension fonctionnelle guidée par la structure et l’optimisation du sgc8c sont nécessaires.

Dans cette étude, les chercheurs dirigés par le professeur Tan Weihong, le professeur Han Da et le professeur agrégé Guo Pei de l’Institut de médecine de Hangzhou (HIM) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), ont d’abord sondé 10 paires de bases Watson-Crick dans sgc8c en utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN) en solution et ont identifié trois régions appariées, dont P1, P2 et P3.

Ils ont ensuite confirmé que les nucléotides de P2 constituaient l’élément de liaison clé en utilisant des perturbations de décalage chimique RMN (CSP) et des tests de mutagenèse dirigée.

Après avoir consolidé le fait que la liaison à PTK7 ne perturbait pas le repli 3D d’origine de sgc8c, les chercheurs ont déterminé la structure RMN de la solution de sgc8c et ont élucidé un repli complexe de jonction à trois voies stabilisé par une liaison hydrogène à longue portée et des interactions d’empilement base-base étendues.

Plusieurs interactions tertiaires, fréquemment observées dans l’ARN mais rarement trouvées dans les molécules d’ADN, sont cruciales pour maintenir la structure et la fonction de sgc8c. Plus intriguant encore, sgc8c peut recruter plus de dix nucléotides de régions distinctes et les assembler dans son cadre structurel et fonctionnel clé.

Guidés par la relation structurelle et fonctionnelle bien établie, les chercheurs ont efficacement conçu deux variantes optimales de sgc8c qui présentent simultanément une thermostabilité, une biostabilité et une affinité de liaison améliorées aux cibles protéiques et cellulaires, offrant de nouvelles voies pour diverses applications biomédicales à base d’aptamères.

Ce travail développe une approche rationalisée basée sur la RMN pour surmonter les défis liés à la compréhension et à l’optimisation de la fonction des aptamères d’ADN qui ciblent les protéines membranaires, et met en évidence le rôle central des interactions tertiaires dans la formation de la structure complexe et de la fonction sophistiquée des molécules d’ADN.