Dans une étude récente publiée dans Communication Natureles chercheurs ont exploré la base structurelle de la spécificité agoniste des récepteurs α1A-adrénergiques (α1-AR).
Faire progresser la connaissance de la base moléculaire de ces interactions pourrait permettre la conception rationnelle d’agonistes spécifiques au sous-type d’AR et exploiter leur plein potentiel thérapeutique dans le traitement des troubles cardiovasculaires, neuropsychiatriques et inflammatoires.
Étude: Base structurelle de la spécificité agoniste de α1A-récepteur adrénergique. Crédit d’image : Gorodenkoff/Shutterstock.com
Arrière-plan
Les AR ont trois sous-familles principales, à savoir, les types α1, α2 et β avec trois membres chacun, – α1A, α1B, α1D, α2A, α2B, α2C et β1, β2 et β3. Ils interviennent tous dans le fonctionnement des neurotransmetteurs sécrétés par la médullosurrénale, à savoir l’épinéphrine et la noradrénaline.
Les chercheurs n’ont pas encore découvert d’agonistes pharmacologiques sélectifs pour les α1-AR ; par conséquent, leur potentiel thérapeutique reste largement inexploré.
Des études génétiques précliniques chez la souris ont démontré le rôle de tous les sous-types α1-AR dans plusieurs fonctions physiologiques, par exemple la neurotransmission, le métabolisme, la régulation de la pression artérielle et l’hypertrophie cardiaque. Par exemple, l’α1A-AR est un vasopresseur nécessaire pour maintenir une pression artérielle normale dans les artères.
Pour remplir leur fonction, les α1-AR se lient à la famille Gq des protéines G. Ce couplage a stimulé le clivage du phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate en inositol-1,4,5-trisphosphate par l’action enzymatique de la phospholipase C-β qui conduit à la libération d’ions calcium intracellulaires (Ca2+).
Des études ont identifié deux agonistes α1A structurellement ressemblants, à savoir A61603, un agoniste sélectif α1A-AR avec une affinité élevée, c’est-à-dire inactif contre α1B-AR et α1D-AR. Un autre est l’épinéphrine, un agoniste endogène de tous les RA.
À propos de l’étude
La présente étude a utilisé la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) pour déchiffrer les structures moléculaires des complexes α1A-AR/Gq avec l’épinéphrine à 2,6 angströms (Å) et A61603 à 3,0 Å.
Ils ont utilisé des structures cryo-EM épinéphrine-α1A-AR-Gq et A61603-α1A-AR-Gq pour mettre en place les systèmes de simulation de dynamique moléculaire accélérée gaussienne (GaMD) afin d’explorer la stabilité de ces complexes.
Les simulations GaMD et les études fonctionnelles les ont aidés à examiner les mécanismes de spécificité de ces interactions et à valider les sites clés de l’A61603 médiant l’activation de l’α1A-AR.
Guidée par les structures cryo-EM et les simulations GaMD, l’équipe a également tenté de concevoir des variants α1A-AR qui perdraient la réponse à A61603, en supposant que cette étude de perte de fonction mettrait en évidence la base moléculaire de la spécificité de liaison à A61603. Ils ont également conçu des mutants α1B-AR qui pourraient activer puissamment A61603.
L’équipe a créé trois mutants ponctuels, α1A-AR, α1A-AR et α1A-AR, en mutant trois résidus impliqués dans les interactions hydrophobes avec A61603, à savoir V1855.40, A1895.44 et M2926.55 aux résidus correspondants dans α1B -AR.
Étant donné que α1A-AR était couplé à Gq pour former un complexe de signalisation, ils ont utilisé les réponses Ca2+ comme lecture fonctionnelle.
Résultats et conclusion
Cryo-EM a découvert la base moléculaire de la spécificité de liaison de A61603 pour α1A-AR et les différentes conformations de l’épinéphrine dans l’interaction avec les α-AR par rapport aux β-AR.
Alors que les structures du complexe α1A-AR – Gq avec A61603 ou l’épinéphrine étaient similaires, elles présentaient des variations conformationnelles locales, en particulier dans les poches orthostériques de liaison au ligand s’étendant jusqu’au site d’interaction avec la protéine G.
La comparaison des structures à l’état actif de l’α1A-AR avec la structure à l’état inactif de l’α1B-AR lié à la cyclazosine, un agoniste inverse, a révélé des changements conformationnels particuliers liés à l’activation des récepteurs couplés aux protéines de classe AG (GPCR).
L’écart quadratique moyen entre les structures cryo-EM de l’α1A-AR actif par rapport à l’α1B-AR inactif était de 1, 6 Å.
L’amine protonée de l’épinéphrine a formé un pont salin avec le résidu D1063 du complexe α1A-AR – Gq, une interaction considérée comme critique pour l’affinité et l’efficacité.
En outre, il a adopté des conformations de liaison avec une dérivation racine carrée moyenne <2 Å (RMSD). Fait intéressant, ce ligand a maintenu des interactions de pont salin stables avec les résidus α1A-AR D1063 et S1885 à 3, 82 et 3, 10 (± 0, 33) Å, respectivement.
En ce qui concerne les résidus de poche de liaison au ligand, α1A-AR et α1B-AR avaient une composition presque identique à l’exception de trois résidus : V1855.40 dans α1A-AR mais A2045.40 dans α1B-AR, A1895.44 dans α1A-AR et S2085.44 dans α1B-AR et M2926.55 dans α1A-AR mais L3146.55 dans α1B-AR.
Les hydrophobes M2926.55 et V1855.40 de α1A-AR ont défini la spécificité de A61603 pour α1A-AR. Ainsi, les chercheurs ont recommandé d’étudier plus avant cette poche hydrophobe lors de la conception de ligands spécifiques au sous-type AR.
Les données des simulations GaMD ont dévoilé les interactions moléculaires entre A61603 et α1A-AR. La conformation de A61603 était comparable à celle de la structure cryo-EM. Le résidu α1A-AR S1885 a formé des liaisons hydrogène avec les atomes N, O et O2 du groupe méthanesulfonamide de A61603.
Le triple mutant α1A-AR (V185A, A189S, M292L) a diminué l’affinité de la réponse A61603 de > 1 000 fois ; pourtant, il était fonctionnel en réponse à l’épinéphrine.
L’α1A-AR de type sauvage (témoin) a donné des réponses Ca2+ robustes mais dose-dépendantes à A61603 avec 50 % de la réponse maximale (CE50) d’environ 1 nM, mais avec une amplitude similaire à des doses saturantes par rapport à l’épinéphrine saturante.
Ensemble, les données de l’étude ont fourni des informations indispensables pour faciliter le développement d’agonistes sélectifs pour les trois sous-types α1-AR et d’agonistes pharmacologiques personnalisés pour d’autres récepteurs apparentés.
