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La neurotoxine botulique A (BoNT/A), la toxine la plus puissante actuellement connue (DL50 ~1 ng/kg)1, est une neurotoxine puissante produite par la bactérie Clostridium botulinum. Au sein d’un hôte affecté, la BoNT/A perturbe la neurotransmission à la jonction neuromusculaire en liant les motoneurones, en s’internalisant dans le cytosol et, finalement, en clivant les protéines neuronales essentielles à l’exocytose de l’acétylcholine. Une fois à l’intérieur d’un neurone, la BoNT/A peut persister jusqu’à plusieurs mois2. L’inhibition à long terme de la libération d’acétylcholine entrave la contraction musculaire normale et entraîne une paralysie flasque qui, dans les cas graves, peut entraîner une insuffisance cardiaque et/ou respiratoire. En raison de sa puissance extrême, de sa facilité de production et de ses effets à long terme sur l’hôte, le CDC a étiqueté tous les sérotypes BoNT comme des agents bioterroristes à haut risque.
Le mécanisme d’action de la toxine implique de nombreuses étapes, notamment la liaison aux récepteurs de surface neuronaux, l’absorption cellulaire via l’endocytose médiée par le récepteur et la translocation dans le cytosol du neurone. La BoNT/A est composée de deux chaînes, une chaîne lourde et une chaîne légère, et les deux chaînes sont nécessaires pour la toxicité. La chaîne lourde (HC) contient des domaines de liaison et de translocation, tandis que la chaîne légère (LC) est une métalloprotéase dépendante du zinc qui se déplace de l’endosome vers le cytoplasme. Une fois à l’intérieur du cytosol, la métalloprotéase LC/A se localise dans la membrane cytoplasmique interne et clive la protéine hôte SNAP-25 liée à la membrane. SNAP-25 est un membre de la famille des protéines SNARE (Soluble N-Ethylmaleimide-Sensitive Factor Attachment Protein Receptor), qui joue un rôle crucial dans l’exocytose de l’acétylcholine (examiné dans la référence3). Le clivage LC/A de SNAP-25 altère la fonction du complexe SNARE, ce qui inhibe la libération de neurotransmetteurs d’acétycholine et altère la contraction musculaire.
Actuellement, le traitement du botulisme est limité et comprend souvent l’administration d’un anticorps neutralisant équin4 ; cependant, comme la toxine est rapidement internalisée dans les neurones, l’anticorps a une fenêtre temporelle d’administration étroite. Ainsi, de nombreux chercheurs pensent que le BoNT/A LC pourrait être une meilleure cible thérapeutique. Parce que le LC est une métalloprotéase dépendante du zinc, une approche pour inhiber l’activité LC/A a été de développer des composés qui chélatent l’ion zinc du site actif. Par exemple, les composés d’hydroxamate chélatent le zinc du site actif et ont une excellente puissance in vitro (Ki du meilleur inhibiteur de petites molécules BoNT/A LC à ce jour est de 77 nM)5. Cependant, de nombreuses petites molécules ne parviennent pas à progresser en tant que thérapeutiques en raison de divers problèmes ex vivo ou in vivo, notamment une faible solubilité aqueuse, un métabolisme rapide et/ou une cytotoxicité élevée. Par conséquent, de nouveaux composés aux propriétés pharmacologiques et pharmacocinétiques améliorées sont nécessaires. L’identification de composés à petites molécules implique souvent un criblage à haut débit (HTS) pour identifier de nouveaux échafaudages. Les méthodes initiales de criblage de l’activité BoNT/A LC étaient basées sur la détection par HPLC du clivage court du substrat peptidique, ce qui prend du temps et ne se prête pas aux applications HTS6-8. Par la suite, Schmidt et ses collègues9 ont mis au point un test d’activité BoNT/A LC à haut débit qui utilise un substrat peptidique marqué à la fluorescéine fixé de manière covalente à une plaque de microtitration. Le BoNT/A LC clive le substrat et libère de la fluorescéine, qui peut être quantifiée à l’aide d’un fluorimètre. Le format sur plaque de ce test permet de cribler simultanément de nombreux composés ; Cependant, le test nécessite de marquer les peptides synthétiques avec de la fluorescéine et de recouvrir les plaques de test avec des molécules de substrat dérivées, qui sont des techniques lourdes. Une méthode beaucoup plus simple de détection de l’activité BoNT/A LC à de faibles concentrations a été décrite plus tard par Schmidt et coll., où une série de substrats fluorogéniques ont été utilisés pour surveiller l’activité BoNT LC en temps réel10. D’autres techniques décrites dans la littérature comprennent un dosage basé sur la dépolarisation après transfert d’énergie par résonance pour détecter et quantifier l’activité BoNT dans les extraits bruts ; cette méthode peut être utilisée pour des applications à haut débit10,11, bien qu’elle nécessite un équipement sophistiqué pour mesurer le transfert d’énergie de résonance de fluorescence (FRET) et les signaux de polarisation. Enfin, plusieurs modèles cellulaires d’intoxication par BoNT ont été rapportés (examinés dans la référence11) qui permettront aux chercheurs d’étudier les propriétés souvent limitatives des composés mentionnés précédemment, notamment la cytotoxicité, la perméabilité cellulaire et la stabilité. Cependant, la plupart des tests cellulaires existants ne se prêtent pas au HTS et nécessitent beaucoup de travail et de temps.
Ici, nous décrivons un protocole détaillé pour une méthode HTS qui utilise le substrat BoNT/A LC basé sur FRET disponible dans le commerce. Le substrat est basé sur la séquence de clivage SNAP-25 et est un peptide 13-mère synthétique qui contient un fluorophore terminal et un extincteur. Le clivage BoNT/A sépare le fluorophore et l’extincteur, abolissant le FRET et augmentant la fluorescence mesurée, qui peut être mesurée en continu dans un lecteur de plaques de fluorimètre. Le test est utilisé régulièrement dans nos laboratoires, ainsi que dans d’autres laboratoires, pour identifier de nouvelles classes d’inhibiteurs de BoNT/A LC ou pour déterminer la puissance relative des composés5,12-15 précédemment identifiés. Ce test est adapté aux SHD en raison de sa simplicité, de son potentiel d’automatisation, de son faible coût des matériaux et de sa capacité à cribler de nombreux composés simultanément (voir référence16 ; Caglič et al., soumis ; Bompiani et al., en préparation). En plus de l’HTS, ce test peut être utilisé pour comparer la puissance relative des composés en déterminant la valeur IC50 (concentration requise pour inhiber 50 % de l’activité BoNT/A LC) d’un composé. Le test peut être effectué manuellement dans un format à 96 puits (section Filtrage manuel du texte du Protocole) ou peut être automatisé dans un format à 384 puits pour HTS (section Opération automatisée du texte du Protocole).