Relation entre blanchissement du cheveu avec l'âge
et modification post-traductionnelle
de la structure de la tyrosinase
TP 1èreS
Un article publié récemment dans FASEB propose un modèle explicatif permettant de rendre compte du blanchissement des cheveux par une modification de la structure de la tyrosinase synthétisée par les mélanocytes du follicule pileux. A l'origine de cette modification structurale post-traductionnelle, il y aurait un changement de l'environnement moléculaire au niveau de l'unité de pigmentation du follicule pileux.
Une approche guidée de la compréhension du modèle est proposée aux élèves.
Le peroxyde d'hydrogène H2O2* est produit par le métabolisme cellulaire en très petite quantité dans toutes les parties du corps, donc dans le follicule pileux. Avec l'âge, la quantité de H2O2 a tendance à augmenter car il n'est plus dégradé en O2 et H2O aussi rapidement. C'est un aspect du stress oxydant. JM Wood et al. ont montré que la catalase, enzyme qui catalyse cette réaction est présente à des concentrations plus basses quand l'âge avance. Dans ces conditions, H2O2 peut alors modifier la structure de la tyrosinase notamment en oxydant les résidus Met*. Les enzymes A* et B* qui sont normalement capables de réparer les dommages causés par le peroxyde d'hydrogène sont également à un niveau très bas. La production d'une tyrosinase inefficace entraîne l'arrêt de la synthèse des mélanines dans les mélanocytes du bulbe pileux.
*Met : résidu ac. aminé facilement oxydé en présence de H2O2, donnant Met S=O (Met sulfoxyde).
*Enzymes A et B: méthionine sulfoxyde réductases, enzymes qui participent normalement à la réparation des dommages causés par H2O2 sur les protéines, en réduisant les Met S=O. Ces enzymes qui font partie du système anti-oxydant sont elles-mêmes désactivées par un taux élevé de H2O2.
- Quelle est l'enzyme clé indispensable à la synthèse des mélanines, pigments responsables de la coloration des cheveux?
- Justifier l'expression " modification post-traductionnelle de la structure de la tyrosinase".
Les mélanines responsables du phénotype "couleur du cheveu" (observations )
- Prélever quelques cheveux bruns, conserver ceux qui présentent un follicule pileux bien visible.Observer au microscope. Repérer les mélanocytes, la mélanine, éventuellement les kératinocytes. En général, sur l'ensemble des cheveux prélevés, on peut en observer quelques-uns en phase de croissance qui montrent des mélanocytes bien visibles.
- Comparer un cheveu brun avec un gris (fourni par ex. par le prof au phénotype grisonnant). Rassembler, dans un tableau comparatif, les principales informations (concernant la tige du cheveu, les mélanocytes, les kératinocytes) tirées des observations.
Voir images et commentaires.
Rq/ Quelques observations (concernant les kératinocytes) plus délicates à réaliser peuvent être proposées aux élèves. Voir images.
Synthèse in vitro de mélanines, mise en évidence d'une intervention enzymatique (expérimentations)
Les observations montrent que la pigmentation du cheveu est liée à la présence de mélanines synthétisées dans les mélanocytes du bulbe pileux.
Les élèves ont déduit des données fournies initialement que l'enzyme clé de la biosynthèse des mélanines est la tyrosinase.
Travail à effectuer
- Sachant que le champignon de Paris contient de la tyrosinase facile à extraire et que le métabolite à l'origine de la voie de biosynthèse des mélanines est l'ac.aminé tyrosine, réaliser le plus simplement possible la synthèse de mélanines in vitro. Montrer qu'il y a bien intervention d'une catalyse.
Voir images et commentaires.
- Par une étude cinétique du processus de coloration montrer qu'il y a bien intervention d'enzyme(s) dans la synthèse des mélanines.
Voir images et commentaires.
- Nouvelles données
1°/ D'après JM Wood et al.(février 2009), H2O2, à concentration relativement élevée, peut, dans le follicule pileux, oxyder les résidus Met des protéines, en particulier Met374, un des résidus ac.aminés du site actif de la tyrosinase synthétisée par les mélanocytes.
2°/ Schweikardt et al. (Pigment Cell Research, Octobre 2007) ont récemment modélisé le site actif d'une tyrosinase de souris. Aucun modèle 3D de tyrosinase de mammifère n'étant disponible, ils ont procédé par homologie*, en utilisant des structures de tyrosinases d'autres groupes établies par diffraction de RX. Le site actif de l'enzyme comprend un centre constitué par 2 Cu2+, chacun établissant des liaisons (hydrogène) avec 3 résidus His. Ce centre intervient notamment pour activer le dioxygène.
Les auteurs de l'étude indiquent que le remplacement de Met374 par G374 suite à une mutation, perturbe l'organisation du site actif en affectant l'orientation de His367. Ils précisent également que leur modèle rend bien compte de certains phénotypes de l'albinisme oculo-cutané, l'un, de type IB observé chez certains variants naturels en relation avec une tyrosinase très peu active dans laquelle S380 est remplacé par P380 (mutation dans le gène TYR sur le chromosome 11), un autre de type IA dans lequel il n'y a aucune synthèse de mélanine (mutation V393F).
*Homologie : la notion de protéines homologues n'est abordée qu'en TS. On peut faire comprendre aux élèves de 1èreS, que certains ac.aminés, en particulier au niveau du site actif (donc ici au voisinage des 2 Cu2+) sont conservés dans les molécules d'une enzyme rencontrées dans différentes espèces et que par alignement, on peut les retrouver.
- Travail à effectuer
Le modèle qui sert de référence (fichier 2zmx.pdb déposé pzr Y. Matoba et al.) correspond à une tyrosinase de l'actinobactérie Steptomyces castaneoglobisporus. Les élèves peuvent le charger en local et l'utiliser avec Molusc, Rasmol, Rastop... ou bien l'exploiter en ligne en passant par Protein Data Bank.
Etablir, à l'aide du modèle moléculaire, que Met374 peut intervenir, comme précisé ci-dessus, dans la configuration du site actif de la tyrosinase
humaine. Expliquer comment les remplacements de S380 par P ou de V393 par F peuvent être à l'origine de formes d'albinisme.
Voir étude et commentaires
A l'aide d'un tableau comparatif, montrer comment le phénotype "pigmentation du cheveux " évolue avec l'âge.
Considérer les niveaux moléculaire, cellulaire et macroscopique.
|
Conditions
(cheveu en croissance) |
Niveau moléculaire
|
Niveau cellulaire
|
Niveau macroscopique |
|
Personne jeune |
Tyrosinase active
-Met374 non oxydée, bonne conformation du site actif -synthèse de mélanines |
Mélanocytes actifs -synthèse de thyrosinase au niveau du REG, passage dans le Golgi d'où sont issus les mélanosomes, lieux de synthèse des mélanines -nombreux granules de mélanines, aspect très foncés -transfert des mélanosomes aux kératinocytes Kératinocytes -synthèse de kératines, associées aus mélanines -constitution de la tige du cheveu ( après leur mort) |
Cheveu coloré dans son ensemble par les mélanines
|
|
Personne plus âgée
-stress oxydant -plus H2O2, peu détruit -catalase et méthionine sulfoxydes réductases peu actives |
Tyrosinase inactive
-Met374 oxydée -site actif affecté -pas de synthèse de mélanines |
Pas de mélanocytes actifs
|
Cheveu "blanc"
|
La tyrosinase est donc bien l'enzyme clé de la mélanogenèse. Son activité dans les mélanocytes conditionne la vitesse de synthèse des mélanines.On connaît de nombreuses mutations qui affectent le gène TYR codant la tyrosinase humaine mais on voit ici qu'un génotype donné peut être à l'origine de phénotypes macroscopiques différents, la configuration prise par l'enzyme à l'issue de la traduction étant modifiée par le stress oxydant qui se manifeste au niveau des mélanocytes présents dans les follicules pileux lorsque l'âge avance. La modélisation par homologie du site actif de la tyrosinase humaine permet de comprendre comment le stress oxydant peut, par l'intermédiaire de l'oxydation d'un résidu Met, rendre la tyrosinase moins efficace.
Les conditions d'inactivation de la tyrosinase décrites dans le cheveu vieillissant semblent également se retrouver dans les mélanocytes de la peau, au niveau des taches dépigmentées qui caractérisent la maladie Vitiligo.
L'oxydation des résidus Met de certaines protéines est supposéee jouer un rôle également dans certaines maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson), le système MS réductase étant alors défectueux.
Les publications, en particulier les images, ne sont libres de droits qu'à la condition d'être utilisées dans le cadre d'une classe.
