La recherche révèle les origines moléculaires du fonctionnement d’une cible médicamenteuse clé

Grâce à une collaboration internationale, les scientifiques du St. Jude Children's Research Hospital ont exploité la science des données, la pharmacologie et les informations structurelles pour mener une enquête au niveau atomique sur la manière dont chaque acide aminé du récepteur qui lie l'adrénaline contribue à l'activité du récepteur en présence de cet acide aminé naturel. ligand.

Ils ont découvert précisément quels acides aminés contrôlent les propriétés pharmacologiques clés du ligand. Le récepteur d'adrénaline étudié fait partie de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), et cette famille est la cible d'un tiers de tous les médicaments approuvés par la Food and Drug Administration (FDA). Ainsi, comprendre comment les GPCR répondent aux ligands naturels ou thérapeutiques est essentiel pour développer de nouvelles thérapies ayant des effets précis sur l’activité des récepteurs.

L'article est publié dans la revue Science.

Pour comprendre le fonctionnement d’une montre, il suffit de la démonter pièce par pièce et d’étudier le rôle joué par chaque composant dans sa fonction chronométrique. De même, dans une protéine telle qu’un GPCR, chaque acide aminé pourrait jouer un rôle différent dans la façon dont la protéine répond à un signal externe.

Des chercheurs de St. Jude, en collaboration avec des scientifiques de l'Université Stanford, de l'Université de Montréal, du Laboratoire de biologie moléculaire du MRC et de l'Université de Cambridge, ont étudié le récepteur β2-adrénergique (β2AR) en substituant un acide aminé à la fois pour comprendre la contribution de chaque acide aminé de ce récepteur pour médier une réponse de signalisation.

“Les scientifiques apprennent comment les gènes contribuent au fonctionnement des cellules en les perturbant un par un. Nous avons demandé : “Pourquoi ne pas aller plus loin dans ce domaine ? Comprenons comment chaque acide aminé contribue au fonctionnement d'un récepteur en le mutant, un acide aminé à la fois”, a déclaré l'auteur co-correspondant M. Madan Babu, Ph.D., du Département de biologie structurale de St. Jude, directeur du Centre d'excellence pour la découverte basée sur les données et de la Chaire George J. Pedersen en Science des données biologiques.

“Au cours de l'évolution, chaque acide aminé du récepteur a été sculpté d'une manière ou d'une autre pour garantir qu'il se lie au ligand naturel, en l'occurrence l'adrénaline, et suscite la réponse physiologique appropriée.”

Fonction de recherche dans le formulaire

Les GPCR sont des protéines qui traversent la membrane cellulaire et relient l'extérieur de la cellule à son environnement interne en transmettant des signaux externes à l'intérieur de la cellule. Dans le cas du β2AR, l’adrénaline se lie au GPCR à l’extérieur de la cellule, induisant une réponse à l’intérieur de la cellule.

Lorsqu’un ligand se lie, il provoque des changements dans la forme du récepteur, en particulier dans la région intracellulaire du récepteur où se lie une protéine G. Les sites de liaison du ligand et de la protéine G se trouvent sur les côtés opposés de la protéine mais se connectent via un réseau complexe de contacts d'acides aminés qui s'étendent sur l'ensemble de la protéine. Les changements de conformation (forme) au sein du GPCR activent la protéine G pour déclencher une réponse de signalisation en aval au sein de la cellule. Grâce à ses effets sur plusieurs tissus et GPCR, y compris le β2AR, l'adrénaline peut déclencher la réponse de combat ou de fuite, comme lors d'une poussée d'adrénaline.

Pour comprendre le rôle de chaque acide aminé dans un GPCR, Franziska Heydenreich, Ph.D., de l'Université Philipps de Marburg, auteur principal et co-correspondant de ce projet, a muté chacun des 412 acides aminés du β2AR. Elle a ensuite évalué la réponse de chaque mutant à l'adrénaline, un ligand, et a déterminé les propriétés pharmacologiques classiques d'efficacité et de puissance. L'efficacité mesure la réponse maximale qu'un ligand peut provoquer, et la puissance mesure la quantité de ligand nécessaire pour provoquer la moitié de la réponse maximale. L’objectif était de révéler, à l’échelle atomique, comment chaque acide aminé contribue à ces propriétés pharmacologiques.

“Étonnamment, seulement environ 80 des plus de 400 acides aminés ont contribué à ces propriétés pharmacologiques. Parmi ces acides aminés pharmacologiquement pertinents, seulement un tiers étaient situés dans les régions où le ligand ou la protéine G s'est lié au récepteur”, a déclaré Heydenreich.

“C'était fascinant d'observer qu'il existe certains acides aminés qui contrôlent l'efficacité, d'autres qui contrôlent la puissance, et d'autres qui affectent les deux”, a déclaré Babu. “Cela signifie que si vous souhaitez fabriquer un médicament plus puissant ou plus efficace, vous savez maintenant qu'il existe des résidus spécifiques que le nouveau ligand doit influencer.” Les chercheurs ont également noté que la contribution individuelle de chaque résidu à l'efficacité et à la puissance n'était pas égale, ce qui impliquait encore plus de possibilités d'affiner les réponses aux médicaments tout en concevant de nouveaux ligands thérapeutiques.

“L'efficacité et la puissance de nombreux systèmes de signalisation ligand-récepteur ont été mesurées depuis plusieurs décennies. Nous pouvons désormais comprendre comment des acides aminés spécifiques dans la séquence d'une protéine peuvent influencer ces propriétés pharmacologiques”, a expliqué Babu.

“Un aspect fascinant des résultats est que la puissance et l'efficacité peuvent être régulées indépendamment l'une de l'autre par des mécanismes distincts. Cela fournit une base pour comprendre comment la variation génétique influence les réponses aux médicaments chez les individus”, Michel Bouvier, Ph.D., co-correspondant » a ajouté l'auteur du Département de biochimie et de médecine moléculaire et directeur général de l'Institut de recherche en immunologie et en cancer de l'Université de Montréal.

Un beau réseau

Des recherches antérieures ont illustré la structure des états actif et inactif du β2AR. Forts de ces connaissances, les chercheurs se sont lancés dans une nouvelle enquête. Ils ont exploré si les deux tiers des acides aminés pharmacologiquement pertinents précédemment démontrés comme non impliqués dans la liaison du ligand ou de la protéine G pourraient jouer un rôle dans la transition entre les états actif et inactif du récepteur.

“Nous avons systématiquement commencé à examiner chaque contact de résidu unique à l'état actif”, a déclaré Heydenreich, “pour comprendre si tous les acides aminés qui établissent un contact avec l'état actif sont importants.”

Les chercheurs ont développé un cadre de science des données pour intégrer systématiquement les données pharmacologiques et structurelles et ont révélé la première image complète de la signalisation GPCR. “Lorsque nous avons cartographié les données pharmacologiques sur la structure, elles ont formé un magnifique réseau”, a déclaré Babu.

“Cela a fourni de nouvelles informations sur le réseau allostérique reliant la poche de liaison du ligand au site de liaison de la protéine G qui régit l'efficacité et la puissance”, a ajouté Brian Kobilka, auteur co-correspondant et lauréat du prix Nobel de chimie 2012 de la faculté de médecine de l'université de Stanford.

En comprenant la signalisation GPCR au niveau atomique, les chercheurs sont optimistes et pensent pouvoir commencer à sonder encore plus profondément, pour voir les sous-états transitoires entre les conformations actives et inactives et pour explorer le paysage conformationnel des protéines.

“Nous savons maintenant quels mutants rechercher, ceux qui affectent uniquement l'efficacité, la puissance ou les deux”, a déclaré Heydenreich.

“Maintenant, nous pouvons effectuer des calculs de dynamique moléculaire et des expériences sur des molécules uniques sur ces mutants pour révéler les mécanismes exacts par lesquels le réseau allostérique influence l'efficacité et la puissance pour médier une réponse de signalisation. C'est une direction que nous poursuivons à travers une étude de St. Jude. Collaboratif sur les GPCR qui inclut des IP de plusieurs institutions. Babu a expliqué.

Outre ces résidus « conducteurs » impliqués dans la médiation des contacts actifs spécifiques à un état et affectant la pharmacologie lorsqu'ils sont mutés, Babu et ses collègues ont l'intention d'explorer d'autres découvertes clés révélées par ce travail. Ils visent à étudier les acides aminés « passagers » qui, malgré l'établissement de contacts à l'état actif, n'affectent pas l'efficacité ou la puissance lorsqu'ils sont mutés.

Ils s'intéressent également aux résidus « modulateurs » qui n'interviennent pas dans les contacts actifs spécifiques à un état, mais modifient la pharmacologie lorsqu'ils sont mutés. Leur approche de science des données, intégrant des informations structurelles et des mesures pharmacologiques, ne se limite pas au β2AR. Il peut être étendu à n’importe quel GPCR pour améliorer notre compréhension des mécanismes régissant cette classe cruciale de cibles médicamenteuses.