Péptido de penetración celular

Un péptido penetrante celular ( CPP ) es un péptido corto que puede atravesar la membrana plasmática de una célula para llegar al citoplasma de esta última. Cuando se unen a dicho péptido, covalentemente o no, una proteína de fusión , un ácido nucleico o una nanopartícula pueden atravesar la membrana plasmática y entrar en la célula. Esto permite, por ejemplo, introducir citostáticos , antivirales , productos de contraste o incluso puntos cuánticos en células vivas. Esta propiedad se descubrió en 1988 al observar que la proteína Tat  (in) del VIH es absorbida por diferentes tipos de células en cultivo celular . Posteriormente se han observado otros ejemplos de tales proteínas. La ventaja de tales péptidos es, en particular, que permiten la absorción celular de poli catiónicos proteínas tales como anti- ADN anticuerpos o histonas , que es de lo contrario imposible.

Los péptidos que penetran en las células generalmente exhiben dos tipos de secuencias  : puede ser un péptido policatiónico con una secuencia rica en residuos de aminoácidos cargados positivamente como lisina o arginina , o un péptido anfífilo con una secuencia alternando residuos polares cargados eléctricamente y residuos hidrófobos no polares. . Se dice que un tercer tipo es hidrófobo y contiene sólo residuos no polares eléctricamente poco cargados o hidrófobos que son decisivos para la absorción celular.

También se ha observado que los papilomavirus , como el virus del papiloma humano , utilizan péptidos penetrantes en las células para atravesar el sistema de endomembranas una vez que han ingresado a la célula, lo que les permite llegar al núcleo .

Mecanismos de penetración celular.

Los péptidos que penetran en las células varían en tamaño, secuencia y carga eléctrica, pero todos tienen la particularidad de atravesar la membrana plasmática de las células y facilitar la transferencia de diversas moléculas al citoplasma o al interior de los orgánulos . No existe consenso sobre el mecanismo de translocación de membrana de estos péptidos, que son un área de investigación activa. Las teorías sobre este tema se pueden clasificar en tres tipos principales de mecanismos: entrada por penetración directa a través de la membrana, entrada por endocitosis y translocación a través de una estructura temporal.

El hecho de que los péptidos penetrantes en las células puedan permitir que una amplia variedad de moléculas atraviesen la membrana plasmática los hace adecuados para muchas aplicaciones en medicina, como sistemas de administración de fármacos para tratar diversas enfermedades, incluidos cánceres , para administrar antivirales o para llevar el medio de contraste dentro de las células para etiquetar estructuras internas; tales productos de contraste son, por ejemplo , proteína verde fluorescente , productos de contraste para MRI  (in) o también puntos cuánticos .

Penetración directa a través de la membrana plasmática.

La mayoría de los estudios anteriores sugirieron que la translocación de péptidos que penetran en las células policatiónicas a través de las membranas biológicas se debe a un proceso celular que no requiere energía. Se creía que la translocación podía ocurrir a 4  ° C, lo que sin duda implicaba una interacción electrostática directa con los fosfolípidos cargados negativamente. Se han propuesto varios modelos para explicar los mecanismos biofísicos que operan en un proceso de este tipo que no requiere entrada de energía. Aunque los péptidos que penetran en las células inducen efectos directos sobre las propiedades biofísicas de las membranas biológicas, la observación de elementos de unión cuando se utilizan proteínas marcadas con fluorescencia ha llevado a una revisión de los mecanismos entonces propuestos. Estos estudios sugieren que el modo de translocación se basa más en la endocitosis .

Se ha propuesto la penetración directa para la proteína Tat  (in) . El primer paso en este modelo es una interacción entre la membrana y la proteína de fusión no plegada en Tat , que tiene el efecto de romper la membrana lo suficiente para pasar la proteína de fusión, que luego retrocede una vez internalizada utilizando un sistema de chaperona . Este mecanismo no ha logrado consenso y se han propuesto otros mecanismos que involucran endocitosis con clatrina .

Se han propuesto muchos otros mecanismos de absorción celular de tales péptidos, en particular la formación transitoria de poros. Estos mecanismos implican fuertes interacciones entre los péptidos que penetran en las células por un lado y los grupos fosfato de dos capas de la bicapa lipídica por otro lado, la inserción de cadenas laterales de arginina que provocan la nucleación de un poro transitorio en la membrana, y finalmente la translocación del péptido por difusión en la superficie del poro. Estos mecanismos explican cómo la cooperación entre péptidos, la carga eléctrica fuertemente positiva y en particular los grupos guanidinio , contribuyen a la absorción.

Penetración por endocitosis

La endocitosis es el proceso celular de ingestión de una partícula a través de la cual la membrana plasmática se pliega formando una invaginación que se cierra para formar una vesícula en la que se encierra la partícula a internalizar. La mayoría de los estudios se realizan mediante fluorescencia o utilizando inhibidores de la endocitosis. Sin embargo, la preparación de estas muestras puede alterar la información relacionada con la endocitosis. Se ha podido demostrar que la internalización de análogos de transportan o penetratina, ricos en arginina como la proteína Tat, es un proceso distinto de la translocación y que consume energía. Es iniciado por poliargininas que interactúan con el heparán sulfato de proteoglicanos . La proteína Tat se internaliza mediante una forma de endocitosis llamada macropinocitosis .

Si bien se ha demostrado que los mecanismos de endocitosis están involucrados en la internalización de péptidos penetrantes en las células, también se ha propuesto que pueden estar involucrados diferentes mecanismos al mismo tiempo, como sugiere el comportamiento de la penetratina y el transportano, lo que provoca que intervengan simultáneamente mecanismos de endocitosis y penetración directa por translocación.

Translocación por formación de una estructura transitoria

Este mecanismo se basa en la formación de micelas invertidas en las membranas plasmáticas a cruzar. Las micelas invertidas son agregados de tensioactivos coloidales en los que los grupos polares se orientan hacia adentro y los grupos lipofílicos se orientan hacia afuera en contacto con el solvente. Según este modelo, un dímero de penetratina se une a fosfolípidos cargados negativamente, lo que conduce a la formación de una micela invertida dentro de la bicapa lipídica . Esta micela permite que la penetratina se bañe en un medio hidrofílico mientras atraviesa el medio lipídico de la membrana. Este mecanismo sigue siendo debatido, sin embargo, debido a que la distribución de penetratina a ambos lados de la membrana no es simétrica, lo que genera un campo eléctrico que puede conducir a un fenómeno de electroporación cuando la concentración de penetratina en el exterior de la membrana alcanza un umbral crítico .

Notas y referencias

  1. (in) Francesca Milletti , "  Péptidos penetrantes de células: clases, origen y panorama actual  " , Drug Discovery Today , vol.  17, n os  15-16, 2012-08-xx, pág.  850–860 ( DOI  10.1016 / j.drudis.2012.03.002 , leído en línea , consultado el 15 de abril de 2021 )
  2. (in) Erez Koren y Vladimir P. Torchilin , "  Péptidos penetrantes de células: abriéndose paso hacia el otro lado  " , Trends in Molecular Medicine , vol.  18, n o  7, 2012-07-xx, p.  385–393 ( DOI  10.1016 / j.molmed.2012.04.012 , leído en línea , consultado el 15 de abril de 2021 )
  3. (en) Ewerton Cristhian Lima de Oliveira , Kauê Santana , Luiz Josino y Anderson Henrique Lima e Lima , "  Predicción de péptidos que penetran en las células usando algoritmos de aprendizaje automático y navegando en su espacio químico  " , Scientific Reports , vol.  11, n o  1, 2021-12-xx, p.  7628 ( ISSN  2045-2322 , PMID  33828175 , PMCID  PMC8027643 , DOI  10.1038 / s41598-021-87134-w , leído en línea , consultado el 15 de abril de 2021 )
  4. (en) Kelly Stewart, Kristin L. Horton y Shana O. Kelley , "  péptidos celulares de penetración como la entrega Vehículos en Biología y Medicina  " , Orgánica y Biomolecular Química , vol.  6, n o  13, 7 de julio de 2008, p.  2242-2255 ( PMID  18563254 , DOI  10.1039 / b719950c , leer en línea )
  5. (en) Kylie y David A. Wagstaff Jans , "  Transducción de proteínas: péptidos penetrantes de células y sus aplicaciones terapéuticas  " , Current Medicinal Chemistry , vol.  13, n o  12, 2006, p.  1371-1387 ( PMID  16719783 , DOI  10.2174 / 092986706776872871 , leer en línea )
  6. (en) Masahiro Okuyama, Heike Laman, Sarah R. Kingsbury, Cristina Visintin, Elisabetta Leo, Kathryn Leigh Eward Kai Stoeber, Chris Boshoff, Gareth H. Williams y David L. Selwood , "  Imitaciones de moléculas pequeñas de una hélice α para el transporte eficiente de proteínas a las células  ” , Nature Methods , vol.  4, n o  2 14 de enero de 2007, p.  153-159 ( PMID  17220893 , DOI  10.1038 / nmeth997 , leer en línea )
  7. (en) Alexander Avrameas, Therese Ternynck, Faridabano Nato Gerard Buttin y Stratis Avrameas , "  anticuerpos monoclonales anti-ADN polirreactivos y péptidos derivados como vectores para la translocación intracitoplasmática e intranuclear de macromoléculas  " , Actas de la Academia Nacional de Ciencias de la Estados Unidos de América , vol.  95, n o  10, 12 de mayo de 1998, p.  5601-5606 ( PMID  9576929 , PMCID  20424 , DOI  10.1073 / pnas.95.10.5601 , JSTOR  45132 , Bibcode  1998PNAS ... 95.5601A , leer en línea )
  8. (en) Elana Hariton Gazal Joseph Rosenbluh Adolf Graessmann Chaim Gilon y Abraham Loyter , "  Translocación directa de moléculas de histonas a través de las membranas celulares  " , Journal of Cell Science , vol.  116, n o  22, 15 de noviembre de 2003, p.  4577-4586 ( PMID  14576351 , DOI  10.1242 / jcs.00757 , leer en línea )
  9. (in) Francesca Milletti , "  Péptidos penetrantes de células: clases, origen y panorama actual  " , Drug Discovery Today , vol.  17, n os  15-16, Agosto 2012, p.  850-860 ( PMID  22465171 , DOI  10.1016 / j.drudis.2012.03.002 , leer en línea )
  10. (en) Sofie Stalmans, Wynendaele Evelien, Nathalie Bracke, Bert Gevaert, Matthias D'Hondt, Kathelijne Peremans Christian Burvenich y Bart De Spiegeleer , "  Diversidad químico-funcional en péptidos penetrantes de células  " , PLoS One , vol.  8, n o  8, 9 de agosto de 2013, artículo n o  e71752 ( PMID  23951237 , PMCID  3739727 , DOI  10.1371 / journal.pone.0071752 , Bibcode  2013PLoSO ... 871752S , leer en línea )
  12. (en) Joanna B. Opalinska y Alan M. Gewirtz , "  Terapéutica con ácidos nucleicos: principios básicos y aplicaciones recientes  " , Nature Reviews Drug Discoveries , vol.  1, n o  7, Julio de 2002, p.  503-514 ( PMID  12120257 , DOI  10.1038 / nrd837 , leer en línea )
  13. (en) Fritz Eckstein , "  La versatilidad de los oligonucleótidos como posibles terapias  " , Opinión de expertos sobre terapia biológica , vol.  7, n o  7, Julio de 2007, p.  1021-1034 ( PMID  17665991 , DOI  10.1517 / 14712598.7.7.1021 , leer en línea )
  14. (en) Dan Luo y W. Mark Saltzman , "  Sistemas de administración de ADN sintético  " , Nature Biotechnology , vol.  18, n o  1, enero 2000, p.  33-37 ( PMID  10625387 , DOI  10.1038 / 71889 , leer en línea )
  15. (en) Eric Vives, Priscille Brodin y Bernard Lebleu , "  Un dominio de proteína Tat del VIH-1 truncado básico se transloca rápidamente a través de la membrana plasmática y se acumula en el núcleo celular  " , Journal of Biological Chemistry , vol.  272, n o  25, 20 de junio de 1997, p.  16010-16017 ( PMID  9188504 , DOI  10.1074 / jbc.272.25.16010 , leer en línea )
  16. (En) Olivier Zelphati y Francis C. Szoka, Jr. , "  Distribución intracelular y mecanismo de entrega de oligonucleótidos mediada por lípidos catiónicos  " , Investigación farmacéutica , vol.  13, n o  9, Septiembre de 1996, p.  1367-1372 ( PMID  8893276 , DOI  10.1023 / a: 1016026101195 , leer en línea )
  17. (in) Henry D. Herce y Angel E. Garcia , "  Las simulaciones de dinámica molecular sugieren un mecanismo para la translocación del péptido TAT del VIH-1 a través de las membranas lipídicas  " , Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América , vuelo .  104, n o  52, 26 de diciembre de 2007, p.  20805-20810 ( PMID  18093956 , PMCID  2409222 , DOI  10.1073 / pnas.0706574105 , Bibcode  2007PNAS..10420805H , leer en línea )
  18. (en) Henry D. Herce y Angel E. García , "  Péptidos penetrantes de células: ¿cómo lo hacen?  ” , Revista de Física Biológica , vol.  33, n hueso  5-6, diciembre 2007, p.  345-356 ( PMID  19669523 , PMCID  2565759 , DOI  10.1007 / s10867-008-9074-3 , leer en línea )
  19. (en) Yuan Hu, Sudipta Kumar Sinha y Sandeep Patel , "  Investigación de poros hidrofílicos en bicapas lipídicas modelo mediante simulaciones moleculares: propiedades de las bicapas que se correlacionan con la termodinámica de la formación de poros  " , Langmuir , vol.  31, n o  24, 23 de junio de 2015, p.  6615-6631 ( PMID  25614183 , PMCID  4934177 , DOI  10.1021 / la504049q , leer en línea )
  20. (in) Yuan Hu Xiaorong Liu, Sudipta Kumar Sinha y Sandeep Patel , "  Translocación de termodinámica de nonaarginina lineal y cíclica en modelo DPPC bicapa mediante simulación de dinámica molecular de grano grueso: implicaciones de la formación de poros y no aditividad  " , The Journal of Physical Chemistry B , vol.  118, n o  10, 13 de marzo de 2014, p.  2670-2682 ( PMID  24506488 , PMCID  3983342 , DOI  10.1021 / jp412600e , leer en línea )
  21. (en) Yuan Hua y Sandeep Patel , "  Termodinámica del inserto de TAT del VIH-1 del péptido penetrante en las células en las bicapas PC / PS / Chol a través del modelo de poros transmembrana: las funciones del colesterol y los lípidos aniónicos  " , Soft Matter , vol.  12, n o  32, 10 de agosto de 2016, p.  6716-6727 ( PMID  27435187 , DOI  10.1039 / c5sm01696g , Bibcode  2016SMat ... 12.6716H , leer en línea )
  22. (in) Maria Lindgren, Xavier Gallet Ursel Soomets Mattias Hällbrink, Ebba Bråkenhielm, Margus Pooga Robert Brasseur y Ülo Langel , "  Propiedades de translocación de la penetratina y análogos de la transportana que penetra en las células nuevas  " , Bioconjugate Chemistry , vol.  11, n o  5, Septiembre-octubre de 2000, p.  619-626 ( PMID  10995204 , DOI  10.1021 / bc990156s , leer en línea )
  23. (en) Maria Lindgren, Mattias Hällbrink Alain Prochiantz, Ülo Langel, Maria Lindgren, Mattias Hällbrink Alain Prochiantz y Ülo Langel , "  Péptidos penetrantes de células  " , Tendencias en ciencias farmacológicas , vol.  21, n o  3, Marzo de 2000, p.  99-103 ( PMID  10689363 , DOI  10.1016 / s0165-6147 (00) 01447-4 , leer en línea )
  24. (En) Stephen M. Fuchs y Ronald T. Raines , "  Vía para la entrada de poliarginina en células de mamíferos  " , Bioquímica , vol.  43, n o  9, 9 de marzo de 2004, p.  2438–2444 ( PMID  14992581 , PMCID  2819928 , DOI  10.1021 / bi035933x , leer en línea )
  25. (en) Alan D. Frankel y Carl O. Pabo , "  Captación celular de la proteína tat del virus de inmunodeficiencia humana  " , Call , vol.  55, n o  6, 23 de diciembre de 1988, p.  1189-1193 ( PMID  2849510 , DOI  10.1016 / 0092-8674 (88) 90263-2 , leer en línea )
  26. (en) Mathias Lundberg y Magnus Johansson , "  Is nuclear VP22 year homing artifact?  ” , Nature Biotechnology , vol.  19, n o  8, Agosto de 2001, p.  713-714 ( PMID  11479552 , DOI  10.1038 / 90741 , leer en línea )
  27. (en) Mathias Lundberg, Sara Wikström y Magnus Johansson , "  adhesión de superficie celular y la endocitosis de los dominios de transducción de proteína  " , Molecular Therapy , vol.  8, n o  1, Julio de 2003, p.  143-150 ( PMID  12842437 , DOI  10.1016 / s1525-0016 (03) 00135-7 , leer en línea )
  28. (en) J. Howl ID Nicholl y S. Jones , "  El futuro de los péptidos que penetran en las células: ¿qué tan pronto es ahora?  ” , Transacción de la Sociedad Bioquímica , vol.  35, n o  4, agosto 2007, p.  767-769 ( PMID  17635144 , DOI  10.1042 / BST0350767 , leer en línea )
  29. (en) Thomas Plénat Sebastien Deshayes, Sylvie Boichot, Pierre Emmanuel Milhiet Richard B. Cole, Frederic Heitz y Christian Le Grimellec , "  Interacción de péptidos primarios que penetran en células anfipáticas con soporte de monocapas de fosfolípidos  " , Langmuir , vol.  20, n o  21, 12 de octubre de 2004, p.  9255-9261 ( PMID  15461515 , DOI  10.1021 / la048622b , leer en línea )
  30. (en) Sebastien Deshayes, Sabine Gerbal-Chaloin, May C. Morris, Gudrun Aldrian-Herrada, Charnet Pierre Gilles Divita y Frederic Heitz , "  Sobre el mecanismo de liberación celular de ácidos nucleicos mediada por péptidos no endosomales  " , Biochimica y Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas , vol.  1667 n o  2 15 de diciembre de 2004, p.  141-147 ( PMID  15581849 , DOI  10.1016 / j.bbamem.2004.09.010 , leer en línea )
  31. (en) Sebastien Deshayes, Annie Heitz, May C. Morris, Peter Charnet Gilles Divita y Frederic Heitz , "  Información sobre el mecanismo de internalización del transportador de péptidos penetrantes de células Pep-1 a través del análisis conformacional  " , Bioquímica , vol.  43, n o  6, 17 de febrero de 2004, p.  1449-1457 ( PMID  14769021 , DOI  10.1021 / bi035682s , leer en línea )