Découverte récente : les origines moléculaires des fonctions d’une cible médicamenteuse clé, un mystère résolu chez les GPCR.

En regardant chaque composant individuel du récepteur adrénergique β2 et en voyant comment ils contribuent à la fonction globale de la protéine, les chercheurs du St. Jude, avec des collaborateurs internationaux, sont capables de visualiser le réseau qui permet à la liaison du ligand d’être traduite à travers la membrane pour pénétrer dans la cellule. Illustration de Zhaowen Luo. Crédit : St. Jude Children’s Research Hospital

Les scientifiques du St. Jude Children’s Research Hospital, en collaboration internationale, ont utilisé la science des données, la pharmacologie et les détails structuraux pour explorer au niveau atomique comment chaque acide aminé dans le récepteur de liaison à l’adrénaline affecte son activité lorsqu’il interagit avec ce ligand naturel.

Ils ont découvert précisément quels acides aminés contrôlent les principales propriétés pharmacologiques du ligand. Le récepteur à l’adrénaline étudié est un membre de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), 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 RCPG répondent aux ligands naturels ou thérapeutiques est essentiel pour le développement de nouvelles thérapies aux effets précis sur l’activité des récepteurs. Le travail a été publié aujourd’hui dans Science.

Pour comprendre le fonctionnement d’une montre, on peut la démonter, pièce par pièce, et étudier le rôle de chaque composant dans sa fonction chronométrique. De même, dans une protéine comme un RCPG, chaque acide aminé peut jouer un rôle différent dans la façon dont la protéine répond à un signal externe. Les chercheurs du St. Jude, en collaboration avec des scientifiques de l’Université de Stanford, de l’Université de Montréal, du MRC Laboratoire de biologie moléculaire 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 à la médiation d’une réponse.

« Les scientifiques apprennent comment les gènes contribuent à la fonction cellulaire en les perturbant un par un. Nous nous sommes demandés : pourquoi n’allons-nous pas une étape plus loin ? Prenons l’effet de chaque acide aminé sur le fonctionnement d’un récepteur en les mutant, un acide aminé à la fois », a déclaré l’auteur co-correspondant M. Madan Babu, Ph.D., du Département de biologie structurale du St. Jude, directeur du Centre d’excellence pour la découverte basée sur les données et titulaire de la chaire George J. Pedersen en science biologique. « Par l’évolution, chaque acide aminé du récepteur a été sculpté d’une manière ou d’une autre pour s’assurer qu’il se lie au ligand naturel, dans ce cas l’adrénaline, et entraîne la réponse physiologique appropriée. »

Des fonctions révélées dans la forme

Les RCPG sont des protéines qui traversent la membrane de la cellule 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 RCPG sur la partie extérieure 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 pour le ligand et la protéine G sont sur des côtés opposés de la protéine mais se connectent à travers un réseau complexe de contacts d’acides aminés qui couvrent toute la protéine. Les changements conformationnels (forme) au sein du RCPG activent la protéine G pour déclencher une réponse de signalisation en aval à l’intérieur de la cellule. À travers des effets sur de multiples tissus et RCPG, y compris le β2AR, l’adrénaline peut déclencher la réponse de combat ou de fuite, comme lors d’une montée d’adrénaline.

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

« De manière surprenante, seulement environ 80 des plus de 400 acides aminés ont contribué à ces propriétés pharmacologiques. Parmi ces acides aminés pharmacologiquement pertinents, seul un tiers se trouvaient dans des régions où le ligand ou la protéine G se liaient au récepteur », a déclaré Heydenreich. « Il était fascinant de constater qu’il existe des acides aminés qui contrôlent l’efficacité, d’autres qui contrôlent la puissance et d’autres encore qui affectent les deux », a déclaré Babu. « Cela signifie que si vous voulez 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 implique encore plus d’opportunités pour affiner les réponses médicamenteuses lors de la conception de nouveaux ligands thérapeutiques.

« L’efficacité et la puissance ont été mesurées pour de nombreux systèmes de signalisation ligand-récepteur depuis plusieurs décennies. Maintenant, nous pouvons 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 influe sur les réponses médicamenteuses chez les individus », a ajouté Michel Bouvier, Ph.D., co-auteur correspondant du Département de biochimie et de médecine moléculaire et directeur général de l’Institut de recherche en immunologie et cancérologie de l’Université de Montréal.

Un beau réseau

Des recherches antérieures ont illustré la structure des états actif et inactif du β2AR. Sur la base de ces connaissances, les chercheurs ont entrepris une nouvelle investigation. Ils ont exploré si les deux tiers des acides aminés pharmacologiquement pertinents déjà démontrés comme n’étant pas impliqués dans la liaison au ligand ou à la protéine G pourraient jouer un rôle dans la transition entre les états actif et inactif du récepteur.

« Nous avons commencé systématiquement à examiner chaque contact résiduel unique à l’état actif », a déclaré Heydenreich, « pour comprendre si tous les acides aminés qui établissent un contact à l’état actif sont importants. »

Les chercheurs ont développé un cadre de science des données pour intégrer de manière systématique des données pharmacologiques et structurales et ont révélé la première image complète de la signalisation des RCPG. « Lorsque nous avons cartographié les données pharmacologiques sur la structure, elles ont formé un beau réseau », a déclaré Babu. « Cela a fourni de nouvelles perspectives sur le réseau allostérique reliant le site de liaison du ligand au site de liaison de la protéine G qui régit l’efficacité et la puissance », a ajouté Brian Kobilka, co-auteur correspondant et lauréat du Prix Nobel de chimie 2012 de la Stanford University School of Medicine.

En comprenant la signalisation des RCPG au niveau atomique, les chercheurs sont optimistes quant à leur capacité à commencer à sonder plus profondément – pour voir les sous-états transitoires entre les conformations actives et inactives et explorer le paysage conformationnel des protéines.

« Nous savons maintenant sur quels mutants nous devons nous concentrer, ceux qui n’affectent que l’efficacité, la puissance ou les deux », a déclaré Heydenreich. « Maintenant, nous pouvons effectuer des calculs de dynamique moléculaire et des expériences sur une seule molécule 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 grâce à une collaboration de recherche sur les RCPG du St. Jude qui inclut des PIs de plusieurs institutions », a expliqué Babu.

Outre ces résidus « conducteurs » qui interviennent dans la médiation des contacts spécifiques à l’état actif et affectent la pharmacologie lorsqu’ils sont mutés, Babu et ses collègues ont l’intention d’étudier d’autres découvertes clés révélées par ce travail. Ils ont l’intention d’étudier les acides aminés « passagers » qui, malgré les 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 ne médiatisent pas de contacts spécifiques à l’état actif mais modifient la pharmacologie lorsqu’ils sont mutés. Leur approche de la science des données, intégrant des informations structurales et des mesures pharmacologiques, n’est pas limitée au β2AR. Elle peut être étendue à n’importe quel RCPG pour améliorer notre compréhension des mécanismes qui régissent cette classe cruciale de cibles médicamenteuses.

Référence : « Molecular determinants of ligand efficacy and potency in GPCR signaling » de Franziska M. Heydenreich, Maria Marti-Solano, Manbir Sandhu, Brian K. Kobilka, Michel Bouvier et M. Madan Babu, 22 décembre 2023, Science.DOI: 10.1126/science.adh1859

Les autres auteurs de l’étude incluent Maria Marti-Solano, Université de Cambridge, et Manbir Sandhu, du St. Jude. L’étude a été soutenue par des subventions de bourses individuelles Marie Sklodowska-Curie de la recherche Horizon 2020 de l’Union européenne (844622, 832620), de l’American Heart Association (19POST34380839), des National Institutes of Health (R01NS028471), de l’Institut canadien de recherche en santé (FDN#148431), du Medical Research Council du Royaume-Uni (MC_U105185859), de la Royal Society University…