Près de 35 % des médicaments approuvés par la Food and Drug Administration agissent en ciblant les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), des protéines intégrées dans les membranes cellulaires qui permettent aux cellules de communiquer entre elles. Les récepteurs couplés aux protéines d'adhésion G (aGPCR) constituent la deuxième plus grande famille de ces récepteurs chez l'homme. Comme leur nom l’indique, ils aident les cellules à adhérer les unes aux autres et à envoyer des signaux à l’intérieur du corps.
Ces récepteurs sont impliqués dans de nombreux processus, tels que la croissance des tissus, le fonctionnement du système immunitaire et la formation des organes. Les problèmes liés aux aGPCR peuvent également entraîner des maladies telles que le cancer, des troubles cérébraux et des problèmes de croissance. Malgré le rôle évidemment important qu’ils jouent dans l’organisme, il n’existe aucun médicament approuvé pour cibler les aGPCR car ils sont volumineux, complexes et difficiles à étudier.
Une nouvelle recherche de l'Université de Chicago combine deux techniques d'imagerie puissantes pour étudier la structure complète d'un aGPCR commun, y compris la manière dont sa région extracellulaire longue et complexe interagit avec la région transmembranaire intégrée à la surface cellulaire. Les différentes positions et mouvements de la région extracellulaire semblent être un moyen important d'activer le récepteur.
Ceci ouvre de nouvelles opportunités pour droguer les GPCR d’adhésion, car nous montrons maintenant que la région extracellulaire communique avec la région transmembranaire.
Demet Araç, PhD, professeur agrégé de biochimie et de biologie moléculaire à UChicago et auteur principal de la nouvelle étude
Les résultats ont été publiés ce mois-ci dans Communications naturelles.
Capturer de nouvelles images et de nouvelles configurations
La région extracellulaire d'un aGPCR s'étend de la membrane cellulaire jusqu'à l'espace extérieur à la cellule, où elle peut se lier à des molécules et des récepteurs d'autres cellules. Il se compose de plusieurs domaines, dont le domaine GPCR Autoproteolysis INducing (GAIN), qui peut se diviser en deux morceaux.
La compréhension commune de la façon d'activer un aGPCR est qu'un ligand extérieur à la cellule s'attache à l'un des domaines extracellulaires et exerce une force qui sépare le domaine GAIN de son autre morceau, un peptide appelé agoniste captif (TA) qui reste attaché à la région transmembranaire. Lorsque le TA est séparé, il peut se déplacer et interagir avec la région transmembranaire pour initier la signalisation, mais un nombre croissant de recherches en biochimie montrent que de nombreuses fonctions de l'aGPCR ne reposent pas sur ce mécanisme dépendant du clivage. La séparation du domaine GAIN est également irréversible, laissant le récepteur dans un état « on » constant, ce qui peut être nocif pour la cellule. Parfois, une cellule peut avoir besoin d’activer et de désactiver un récepteur, il doit donc exister un autre moyen de le faire.
Le laboratoire d'Araç travaille depuis 11 ans pour révéler la structure des aGPCR complets, dans l'espoir d'apprendre comment les signaux entrants sont transmis de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. Ces récepteurs sont notoirement difficiles à comprendre pleinement car les régions extracellulaires présentent de nombreuses configurations complexes et distinctes. L'étudiant diplômé Szymon Kordon, PhD, a dirigé la nouvelle étude, reprenant le travail d'un étudiant précédent pour capturer des images de la structure complète de Latrophilin3, un aGPCR impliqué dans le développement des synapses cérébrales qui a également été associé au trouble déficitaire de l'attention avec hyperactivité et à plusieurs cancers. .
Kordon et Araç ont optimisé la génération et la purification de Latrophilin3 et capturé les premières images de microscopie électronique, mais ils ont dû faire face à de nombreux défis pour obtenir une bonne image du récepteur. Ils ont ensuite travaillé avec Antony Kossiakoff, PhD, professeur distingué de biochimie et de biologie moléculaire Otho SA Sprague à UChicago, pour créer un anticorps synthétique qui pourrait se fixer à l'aGPCR. Cet anticorps a stabilisé la région extracellulaire et lui a donné une forme distinctive qui a permis à Kordon de capturer la structure complète du récepteur à l'aide de la microscopie cryoélectronique (cryo-EM), une technique d'imagerie qui gèle les cellules et les molécules pour un instantané. Les images résultantes sont devenues la première structure connue d’un aGPCR complet.
Les images cryo-EM ont montré que le domaine GAIN du récepteur a pris plusieurs positions différentes par rapport à la surface cellulaire. Chaque position différente du domaine GAIN a créé un point de contact différent entre celui-ci et la région transmembranaire. Les chercheurs se sont demandés si ces différentes configurations pouvaient constituer un moyen différent de communiquer avec la cellule, sans séparer complètement le domaine GAIN. Ainsi, ils se sont associés à Reza Vafabakhsh, PhD, professeur agrégé de biosciences moléculaires à l’Université Northwestern, et à Kristina Cechova, PhD, chercheuse postdoctorale à Northwestern, pour mener une deuxième série d’expériences permettant de suivre les mouvements des régions extracellulaires.
Cechova et l'équipe ont utilisé l'imagerie par transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), qui peut mesurer le transfert d'énergie entre des molécules proches les unes des autres. Après avoir fixé des marqueurs fluorescents à différents points des régions extracellulaires et transmembranaires de l'aGPCR, ils ont pu suivre ses mouvements alors qu'il répondait aux forces d'adhésion qui le tiraient et le poussaient. Ce qu'ils ont vu a confirmé leurs soupçons sur le fonctionnement des différentes configurations.
« Différents états conformationnels étaient corrélés à différentes activités de signalisation du récepteur », a déclaré Kordon. « Cela montre la pertinence fonctionnelle de ces conformations sur la signalisation en aval dans la cellule. » Kordon, diplômé en 2024, a ensuite reçu le prix de la meilleure thèse du Département de biochimie et de biologie moléculaire de l'UChicago pour son travail sur ce projet.
Une nouvelle façon d’activer les récepteurs
Araç a déclaré que maintenant qu'ils comprennent mieux la structure des aGPCR et leur fonctionnement, ils peuvent voir le potentiel de les cibler avec des médicaments de la même manière que d'autres récepteurs. Les chercheurs pourraient concevoir des anticorps comme ceux utilisés dans cette étude pour les stabiliser pour l’imagerie, mais conçus pour manipuler leur activité. Puisque les aGPCR ont des formes et des structures distinctes, ces anticorps pourraient également être très précis. Avec 33 aGPCR différents déjà identifiés chez l’homme, les opportunités sont nombreuses.
« Cela pourrait être l'avenir des GPCR à adhésion médicamenteuse », a déclaré Araç. « L'avantage est que les régions extracellulaires sont très différentes les unes des autres, vous pouvez donc les cibler avec un médicament qui ne se lie pas à d'autres récepteurs et ne provoque pas d'effets secondaires indésirables. »
L'étude, « Le couplage conformationnel entre les domaines extracellulaires et transmembranaires module la fonction d'holo-adhésion GPCR », a été soutenue par les National Institutes of Health, le Chicago Biomedical Consortium et le National Cancer Institute. Les autres auteurs incluent Sumit J. Bandekar, Katherine Leon et Przemysław Dutka de UChicago et Gracie Siffer de Northwestern.
