Apport des structures cristallographiques à la compréhension du mécanisme d'inhibition des cholinestérases par les neurotoxiques organophosphorés

1Avant ProposLes cholinestérases sont des sérines hydrolases spécialisées dans l'hydrolyse des esters decholine, en particulier, le neurotransmetteur acétylcholine. Le rôle principal del’acétylcholinestérase humaine (hAChE) est la terminaison de la transmission de l'impulsionnerveuse au niveau des synapses cholinergiques par hydrolyse de l'acétylcholine en acideacétique et choline. Les cholinestérases sont fascinantes par leur efficacité catalytique (108-109 M-1.min-1) et par la subtilité des mécanismes catalytiques et changementsconformationnels associés. Malgré des décennies de recherches, bien des aspects de leurfonctionnement restent incompris. Elles constituent un sujet d'étude riche, sans cesserenouvelé par la diversité des approches nécessaires à la compréhension de leurs différentesfacettes.Dès ma thèse, mes activités de recherche ont été centrées sur l'étude des relationsstructure-activité des cholinestérases et plus particulièrement de la butyrylcholinestérasehumaine (hBChE). La hBChE est une enzyme très proche de l'hAChE (52% d'identité), maisdiffère nettement par sa spécificité de substrat et sa sensibilité aux inhibiteurs. Elle estabondamment présente dans le plasma et dans de nombreux tissus chez les vertébrés. Maiscontrairement à l'AChE, aucun rôle cholinergique ni aucun autre rôle physiologique n'a pu luiêtre attribué. C'est d'ailleurs une enzyme qui n'est pas vitale comme le démontre la viabilitédes individus nullizygotes. Elle peut éventuellement jouer le rôle de suppléant de la hAChEen cas de déficience de cette dernière. Cependant l'importance de la hBChE est capitale d'unpoint de vue toxicologique et pharmacologique car elle est impliquée dans la dégradation denombreux principes actifs, poisons ou médicaments, par exemple la cocaïne, lasuccinylcholine.En raison de sa fonction essentielle dans le système nerveux, la hAChE est la cible d'unvaste répertoire de médicaments et de poisons, naturels ou synthétiques, notamment descomposés organophosphorés (OP) comme les pesticides ou encore les agents neurotoxiquesde guerre. L'emploi d'OP a, par le passé, entrainé des dommages importants, tant lors deconflits militaires comme dans la guerre Iran-Irak (1980-1988) ou la guerre du Golfe (1991)que dans les milieux civils comme l’attentat dans le métro de Tokyo (1995). L'usage de sarinen août 2013 dans le conflit syrien a rappelé que dans le contexte militaire et politique actuel,les armes chimiques de guerre restent une menace concrète et sérieuse, et ce malgré laConvention d’Interdiction des Armes chimiques signée en 1993 et ratifiée par 181 états.2Parallèlement, le contexte socio-économique tend vers une accélération des moyens deproduction, notamment dans le domaine agricole. L’utilisation de pesticidesorganophosphorés, bien que réglementée, provoque des intoxications accidentelles nonnégligeables. Surtout, l'ingestion de pesticides est le premier moyen de suicide dans le monde,en particulier en Asie rurale (Hvistendahl 2013), et représente 1/3 des suicides annuels pourplus de 200 000 décès (Eddleston 2008).Comme la hAChE, la hBChE est inhibée par les carbamates et les OPs sans toutefois desymptômes associées. C'est un excellent bioépurateur des OPs, une forme injectable dehBChE étant en cours de développement pour la protection contre l'intoxication par les OPs.Les moyens thérapeutiques actuels étant assez peu efficaces, leur développement reste unepriorité et passe par la connaissance détaillée des mécanismes d'inhibition et de résistance auxtraitements. C'est dans ce contexte que j'ai développé mes travaux de recherche depuis masoutenance de thèse en 1999.Je commencerai ce mémoire par une introduction non exhaustive sur la structure généraledes cholinestérases, l'inhibition par les pesticides et neurotoxiques organophosphorés et lescontre-mesures médicales des armes chimiques. Dans une seconde partie, je présenterai lecheminement ayant conduit à la résolution de la structure de la butyrylcholinestérase humaineet les principaux enseignements obtenus. Puis je montrerai l'apport des structures decholinestérases phosphylées sur la connaissance détaillée des mécanismes d'inhibition et devieillissement. Et enfin je présenterai mes travaux actuels et leurs perspectives sur ledéveloppement de nouvelles contremesures des toxiques de guerre organophopshorés