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Nanodisque

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Un nanodisque est un système modèle lipidique synthétique qui aide à l'étude des protéines membranaires[1], lesquelles sont généralement insolubles. Les nanodisques sont des petites particules (dimension 1-50 nanomètre) discoïdales dans lesquelles une bicouche lipidique est entourée de molécules amphiphiles qui permettent à ces lipides d'être solubles et à ne pas former de micelles ou de liposomes. Ces molécules amphipathiques sont généralement soit des protéines, soit des peptides ou encore des polymères synthétiques[2]. Pour les nanodisques MSP, la protéine d'échafaudage membranaire (MSP pour Membrane Scaffold Protein) est une protéine amphiphile qui s’organise en hélices alpha. Elle interagit avec la partie hydrophobe des lipides de la bicouche lipidique, les enveloppant en formant généralement une double ceinture constituée de deux molécules de MSP[3],[4],[5]. Les nanodisques sont structurellement très similaires aux lipoprotéines de haute densité discoïdales (HDL) et les MSP sont des versions modifiées de l'apolipoprotéine A1 (apoA1), le principal constituant des HDL. Les nanodisques sont utiles dans l'étude des protéines membranaires car ils peuvent solubiliser et stabiliser les protéines membranaires[6] et représentent un environnement plus naturel que les liposomes, les micelles de détergents, les bicelles ou les amphipoles.

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Représentation d'un nanodisque MSP. Les différentes hélices alpha encerclent les lipides.
Représentation d'un nanodisque MSP. Les différentes hélices alpha encerclent les lipides.

Le processus de fabrication des nanodisques a beaucoup progressé, bien au-delà de l'utilisation exclusive de MSP, conduisant à des stratégies alternatives comme les nanodisques peptidiques qui utilisent des peptides ou les nanodisques à polymères synthétiques qui n'ont besoin d'aucune protéine pour leur stabilisation.

Nanodisque MSP

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Les premiers nanodisques ont été produits avec des MSP dérivées de l'apoA1 en 2002[3]. La taille et la stabilité de ces nanodisques dépendent de la taille de ces protéines, qui peut être ajustée par clivage ou fusion de plusieurs parties de MSP. En général, les protéines MSP1 sont constituées d'une seule répétition, tandis que les MSP2 sont deux fois plus grandes[7],[8]. Il existe plus d'une dizaine de variantes permettant d'adapter la taille du nanodisques à la taille de la protéine membranaire.

Nanodisque peptidique

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Dans les nanodisques peptidiques, la bicouche lipidique est entourée par des peptides amphipathiques au lieu de deux protéines MSP. Les nanodisques peptidiques sont structurellement similaires aux nanodisques MSP et les peptides s'alignent généralement en double ceinture, mais pas toujours[9]. Ils peuvent stabiliser les protéines membranaires[10], mais sont généralement plus hétérogènes en termes de taille et sont structurellement moins stables que les nanodisques MSP. Des études récentes ont cependant démontré que la dimérisation[11] et la polymérisation[12] des peptides les rendent plus stables.

Ces peptides qui agissent avec des propriétés proches des détergents sont aussi appelés peptergents[13].

Nanodisque synthétique et/ou natif

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Une autre manière de stabiliser les nanodisques est d'utiliser des copolymères synthétiques tels que les polymères formés par un mélange de styrène et d'acide maléique (SMA)[14],[15] et ceux utilisant l'acide diisobutylène-maléique (DIBMA)[16] qui forment des nanodisques respectivement appelés SMALP (ou lipodisques) et DIBMALP. Leur avantage est qu'ils peuvent solubiliser les protéines membranaires directement à partir de cellules ou de la membrane lipidique cible sans l'utilisation de détergent, contrairement aux nanodisques cités plus haut. Ils ont également été utilisés pour étudier la composition lipidique de plusieurs organismes[17],[18],[19]. Il a été découvert que tous les polymères synthétiques contenant un groupe styrène et acide maléique peuvent solubiliser les protéines membranaires qui sont ancrées dans la membrane lipidique[20]. Les nanodisques à SMA (lipodisques) ont également été testés comme possible vecteur d'administration de médicaments anti-cancéreux (doxorubicine)[21] et pour l'étude du repliement, des modifications post-traductionnelles et des interactions lipidiques des protéines membranaires par spectrométrie de masse native[22]. Ils sont désormais couramment utilisés pour comprendre les structures des protéines membranaires, en utilisant la cryo-EM, telles que les toxines formant des pores d'aérolysine (résolution de 2.1 Å), où une densité lipidique a été modélisée avec des intaractions clés et pertinentes pour la compréhension du mécanisme de formation des pores, leur positionnement et leur ancrage correct dans la membrane[23].

Références

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(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Nanodisc » (voir la liste des auteurs).
  1. ↑ « Dissecting the Structure of Membrane Proteins », Genetic Engineering & Biotechnology News, vol. 35, no 17,‎ , p. 16–18, 21 (DOI 10.1089/gen.35.07.09, lire en ligne Inscription nécessaire) :
    « Nanodiscs are self-assembling nanoscale phospholipid bilayers that are stabilized using engineered membrane scaffold proteins. »
  2. ↑ Anada, Ikeda, Egawa et Fujiwara, « Temperature- and composition-dependent conformational transitions of amphipathic peptide–phospholipid nanodiscs », Journal of Colloid and Interface Science, vol. 588,‎ , p. 522–530 (ISSN 0021-9797, PMID 33429348, DOI 10.1016/j.jcis.2020.12.090, Bibcode 2021JCIS..588..522A, lire en ligne Inscription nécessaire)
  3. 1 2 « Self-Assembly of Discoidal Phospholipid Bilayer Nanoparticles with Membrane Scaffold Proteins », Nano Letters, vol. 2, no 8,‎ , p. 853–856 (DOI 10.1021/nl025623k, Bibcode 2002NanoL...2..853B)
  4. ↑ « Membrane protein assembly into Nanodiscs », FEBS Letters, vol. 584, no 9,‎ , p. 1721–7 (PMID 19836392, PMCID 4758813, DOI 10.1016/j.febslet.2009.10.024, Bibcode 2010FEBSL.584.1721B)
  5. ↑ « Elliptical structure of phospholipid bilayer nanodiscs encapsulated by scaffold proteins: casting the roles of the lipids and the protein », Journal of the American Chemical Society, vol. 132, no 39,‎ , p. 13713–22 (PMID 20828154, PMCID 4120756, DOI 10.1021/ja1030613, Bibcode 2010JAChS.13213713S)
  6. ↑ « Cytochromes P450 in nanodiscs », Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics, vol. 1814, no 1,‎ , p. 223–9 (PMID 20685623, PMCID 2974961, DOI 10.1016/j.bbapap.2010.05.017)
  7. ↑ « Directed self-assembly of monodisperse phospholipid bilayer Nanodiscs with controlled size », Journal of the American Chemical Society, vol. 126, no 11,‎ , p. 3477–87 (PMID 15025475, DOI 10.1021/ja0393574, Bibcode 2004JAChS.126.3477D)
  8. ↑ « Engineering extended membrane scaffold proteins for self-assembly of soluble nanoscale lipid bilayers », Protein Engineering, Design & Selection, vol. 23, no 11,‎ , p. 843–8 (PMID 20817758, PMCID 2953958, DOI 10.1093/protein/gzq060)
  9. ↑ Xiaojie Yao et Christy A. Thomson, « Review: Membrane protein nanodiscs for antibody discovery », Current Opinion in Structural Biology, vol. 94,‎ , p. 103104 (ISSN 0959-440X, DOI 10.1016/j.sbi.2025.103104, lire en ligne, consulté le )
  10. ↑ « Self-assembling peptides form nanodiscs that stabilize membrane proteins », Soft Matter, vol. 10, no 5,‎ , p. 738–52 (PMID 24651399, DOI 10.1039/c3sm51727f, Bibcode 2014SMat...10..738M)
  11. ↑ « Dimeric peptides with three different linkers self-assemble with phospholipids to form peptide nanodiscs that stabilize membrane proteins », Soft Matter, vol. 12, no 27,‎ , p. 5937–49 (PMID 27306692, DOI 10.1039/c6sm00495d, Bibcode 2016SMat...12.5937L)
  12. ↑ « Formation of size-controlled, denaturation-resistant lipid nanodiscs by an amphiphilic self-polymerizing peptide », Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, vol. 146,‎ , p. 423–30 (PMID 27393815, DOI 10.1016/j.colsurfb.2016.06.040)
  13. ↑ Yann Huon de Kermadec, « Les nanodisques comme outil pour l'étude de protéines membranaires intégrales », theses.hal.science, Université Grenoble Alpes,‎ (lire en ligne, consulté le )
  14. ↑ « From polymer chemistry to structural biology: The development of SMA and related amphipathic polymers for membrane protein extraction and solubilisation », Chemistry and Physics of Lipids, vol. 221,‎ , p. 167–175 (PMID 30940445, DOI 10.1016/j.chemphyslip.2019.03.008, lire en ligne)
  15. ↑ « Membrane proteins solubilized intact in lipid containing nanoparticles bounded by styrene maleic acid copolymer », Journal of the American Chemical Society, vol. 131, no 22,‎ , p. 7484–5 (PMID 19449872, DOI 10.1021/ja810046q, Bibcode 2009JAChS.131.7484K)
  16. ↑ « Formation of Lipid-Bilayer Nanodiscs by Diisobutylene/Maleic Acid (DIBMA) Copolymer », Langmuir, vol. 33, no 50,‎ , p. 14378–14388 (PMID 29160078, DOI 10.1021/acs.langmuir.7b03742)
  17. ↑ « Lipid nanoparticle technologies for the study of G protein-coupled receptors in lipid environments », Biophysical Reviews, vol. 12, no 6,‎ , p. 1287–1302 (PMID 33215301, PMCID 7755959, DOI 10.1007/s12551-020-00775-5)
  18. ↑ « Lipidomic and in-gel analysis of maleic acid co-polymer nanodiscs reveals differences in composition of solubilized membranes », Communications Biology, vol. 4, no 1,‎ , p. 218 (PMID 33594255, PMCID 7886889, DOI 10.1038/s42003-021-01711-3)
  19. ↑ « Lipodisqs for eukaryote lipidomics with retention of viability: Sensitivity and resistance to Leucobacter infection linked to C.elegans cuticle composition », Chemistry and Physics of Lipids, vol. 222,‎ , p. 51–58 (PMID 31102583, DOI 10.1016/j.chemphyslip.2019.02.005, lire en ligne)
  20. ↑ (en-GB) « Diisobutylene-maleic acid (DIBMA) », Cube Biotech (consulté le )
  21. ↑ « Physicochemical Characterization, Toxicity and In Vivo Biodistribution Studies of a Discoidal, Lipid-Based Drug Delivery Vehicle: Lipodisq Nanoparticles Containing Doxorubicin », Journal of Biomedical Nanotechnology, vol. 16, no 4,‎ , p. 419–431 (PMID 32970975, DOI 10.1166/jbn.2020.2911, hdl 10852/85267, lire en ligne)
  22. ↑ « Detergent-free Lipodisq Nanoparticles Facilitate High-Resolution Mass Spectrometry of Folded Integral Membrane Proteins », Nano Letters, vol. 21, no 7,‎ , p. 2824–2831 (PMID 33787280, PMCID 8050825, DOI 10.1021/acs.nanolett.0c04911, Bibcode 2021NanoL..21.2824H)
  23. ↑ Anton, Iacovache, Bada Juarez et Abriata, « Aerolysin Nanopore Structures Revealed at High Resolution in a Lipid Environment », Journal of the American Chemical Society, vol. 147, no 6,‎ , p. 4984–4992 (PMID 39900531, PMCID 11826888, DOI 10.1021/jacs.4c14288)

Liens externes

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  • Nanodisc Technology du laboratoire Stephen Sligar
  • Nanodiscs assemblés pour application avec des lysats acellulaires
  • HDL et Nanodiscs : un aperçu de la technologie des nanodisques à l'UIUC
  • Nanodiscs Un résumé du laboratoire Atkins de l'Université de Washington
  • SMA native nanodiscs website Web de la communauté de recherche internationale utilisant le SMA et d'autres polymères (DIBMA par exemple) comme alternative aux détergents conventionnels et à l'environnement lipidique synthétique trouvé dans le MSP-nanodisque.
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