Des molécules de cellules cérébrales super-refroidies révèlent le fonctionnement des médicaments contre l'épilepsie

En refroidissant une molécule à la surface des cellules cérébrales jusqu'à environ moins 180 degrés Celsius, soit près de deux fois plus froid que les endroits les plus froids de l'Antarctique, les scientifiques de Johns Hopkins Medicine affirment avoir déterminé comment un médicament contre l'épilepsie largement utilisé agit pour atténuer la l'excitabilité des cellules cérébrales et aide à contrôler, mais pas à guérir, les crises.

La recherche, publiée le 4 juin dans Nature Biologie structurale et moléculaire, identifie des liens critiques entre l'activité du pérampanel, un médicament contre l'épilepsie, et les mouvements résultants du récepteur AMPA, une molécule de la surface des cellules cérébrales. Les chercheurs affirment que les résultats pourraient éventuellement aider à concevoir de nouveaux médicaments ciblant le récepteur pour traiter d'autres maladies neurologiques telles que la maladie d'Alzheimer, la schizophrénie, les troubles d'apprentissage, les cancers du cerveau appelés glioblastome et la douleur chronique.

Le récepteur AMPA joue un rôle essentiel pour l'un des neurotransmetteurs les plus abondants du cerveau, le glutamate, qui active les cellules cérébrales (neurones) en se connectant à une protéine à la surface cellulaire (AMPA) dans une connexion de type Pac-man, dans laquelle les récepteurs AMPA engloutir le glutamate.

Jusqu'à quatre molécules de glutamate peuvent se lier à un seul récepteur AMPA. La connexion permet à un flot d’ions (particules chargées positivement) de pénétrer dans le neurone et de l’activer (l’exciter).

“Les récepteurs AMPA et le glutamate sont nécessaires à la plupart des aspects de la vie, y compris les processus d'apprentissage, de mémoire et d'encodage des expériences”, explique Edward Twomey, Ph.D., professeur adjoint de biophysique et de chimie biophysique à la faculté de médecine de l'université Johns Hopkins. “La plupart des maladies neurologiques remontent d'une manière ou d'une autre aux récepteurs AMPA et au glutamate.”

Twomey a été approché par le neuroscientifique Richard Huganir, Ph.D., qui étudie les récepteurs AMPA depuis 40 ans, pour collaborer à des recherches visant à mieux comprendre la structure des récepteurs et leur processus de liaison au glutamate.

La suractivation (excitation) des récepteurs AMPA est connue pour provoquer l’épilepsie. Le pérampanel, qui cible le récepteur AMPA, est le seul médicament approuvé par la Food and Drug Administration des États-Unis pour cibler les récepteurs AMPA, mais de nombreuses sociétés pharmaceutiques travaillent sur des composés similaires, affirment les chercheurs.

“Ce médicament a été découvert dans les années 1980 et son mécanisme précis reste un mystère depuis longtemps”, explique Twomey.

“Nous savons que ce médicament ne bloque pas ou ne reste pas coincé dans les canaux ioniques du récepteur”, déclare Huganir, professeur émérite Bloomberg de neurosciences et de sciences psychologiques et cérébrales et directeur du département de neurosciences Solomon H. Snyder. D'autres scientifiques avaient découvert où le pérampanel se liait aux récepteurs AMPA dans des poches autour du canal ionique, mais n'avaient pas trouvé comment cette connexion perturbait le flux ionique.

Pour étudier le mécanisme, les chercheurs se sont tournés vers la cryomicroscopie électronique (cryoEM), qui a évolué au cours des deux dernières décennies pour devenir un outil puissant permettant d'étudier des structures un million de fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain.

W. Dylan Hale, Ph.D., boursier postdoctoral de Johns Hopkins, travaillant dans les laboratoires Twomey et Huganir, a réalisé la plupart des expériences et analyses au Beckman Center for CryoEM de Johns Hopkins, où ils refroidissent des molécules biologiques et prennent des images à divers endroits. Points de temps.

Pour l'étude, les chercheurs ont analysé des millions d'images de récepteurs AMPA dans des cellules cérébrales provenant de modèles de souris et de rats et leur interaction avec la version initialement découverte du médicament pérampanel, GYKI-52466. “Ces interactions se produisent à une très petite échelle, environ 1 à 2 angströms”, explique Twomey.

Ils ont examiné la liaison du médicament GYKI-52466, avec et sans glutamate. Ils ont également réalisé des enregistrements électriques du flux d’ions et des études physiologiques chez la souris pour compléter les images cryoEM.

Les scientifiques ont utilisé des outils d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique pour faire la moyenne et combiner les images cryoEM dans une reconstruction 3D du récepteur.

Lorsque le glutamate se lie au récepteur AMPA dans l’une des quatre positions, un brin du récepteur descend et ouvre le canal ionique permettant le flux d’ions, un peu comme une chaîne de traction libère l’eau d’une pomme de douche.

Les chercheurs ont découvert que deux des quatre positions de liaison du glutamate sont les plus importantes dans la capacité du médicament GYKI-52466 à bloquer le flux ionique.

“Le médicament se lie au récepteur AMPA et empêche l'ouverture du canal ionique en bloquant la capacité du glutamate à tirer sur le brin qui ouvre le canal ionique”, explique Twomey. “Cela semble découpler les régions de liaison du glutamate les unes des autres et mettre le récepteur dans un état désensibilisé.”

Huganir prévoit également de travailler avec Twomey pour utiliser cryoEM afin d'étudier ce qui arrive au récepteur AMPA lorsqu'il est muté.

“Nous voulons savoir ce qui ne va pas dans la structure du récepteur et qui désactive sa fonction”, explique Huganir. “En théorie, nous pourrions développer des médicaments pour rendre le récepteur plus actif afin de traiter des affections dans lesquelles la structure du récepteur est modifiée.”

Outre Hale, Twomey et Huganir, les chercheurs qui ont contribué aux travaux sont Alejandra Montaño Romero et Albert Lau de Johns Hopkins, ainsi que Cuauhtemoc Gonzalez et Vasanthi Jayaraman du Health Science Center de l'Université du Texas à Houston.