Aperçus sur la dynamique des récepteurs GPCR et le développement de médicaments

Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) sont des protéines importantes qu'on trouve à la surface des cellules. Ils jouent un rôle dans plein de fonctions biologiques cruciales dans nos corps, comme comment on voit, sent, ressent la douleur et même combat des maladies. On a environ 800 types différents de GPCR chez les humains. Quand ces récepteurs ne fonctionnent pas bien ou ont des mutations, ça peut mener à diverses maladies, comme Alzheimer, l'hypertension, l'asthme et le diabète.

Vu leur rôle important, les GPCR sont souvent ciblés dans le développement de médicaments. En fait, une grosse partie des médicaments approuvés par la FDA aux États-Unis cible spécifiquement les GPCR.

#Structure des GPCR

Tous les GPCR ont une structure similaire. Ils sont composés de sept segments qui traversent la membrane cellulaire appelés hélices α transmembranaires (TM1-TM7). Ces segments sont reliés par des boucles à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule. La partie extérieure du récepteur peut se lier à différentes molécules, tandis que la partie intérieure interagit avec d'autres protéines pour envoyer des signaux à l'intérieur de la cellule.

#Comment fonctionnent les GPCR

L'activation des GPCR arrive quand ils reçoivent des signaux depuis l'extérieur de la cellule. Ces signaux peuvent venir de la lumière, des hormones ou d'autres substances déclenchantes. Quand un GPCR s'active, il interagit avec un groupe spécial de protéines appelées protéines G, qui jouent un rôle clé dans la transmission du signal à l'intérieur de la cellule.

Les protéines G sont composées de trois unités : alpha (Gα), bêta (Gβ) et gamma (Gγ). Il y a différents types de protéines G selon leurs unités Gα, et elles fonctionnent en basculant entre des états actifs et inactifs, ce qui est crucial pour le processus de signalisation.

Quand les GPCR s'activent, l'unité Gα libère une molécule appelée GDP et prend une autre molécule appelée GTP. Ce changement dans l'unité Gα lui permet de se séparer des deux autres unités et d'interagir avec diverses protéines, influençant de nombreuses fonctions cellulaires.

#Importance d'étudier les GPCR

Comprendre comment fonctionnent les GPCR au niveau structurel aide les scientifiques à piger comment ils transmettent des signaux et à développer de nouveaux médicaments pour cibler ces récepteurs. Certaines techniques utilisées pour étudier les GPCR incluent la cristallographie aux rayons X, la cryo-microscopie électronique (Cryo-EM) et la résonance magnétique nucléaire (RMN). Ces méthodes permettent aux chercheurs d'obtenir des images détaillées et des informations sur les GPCR dans différents états.

En 2011, des chercheurs ont réussi à capturer la première structure d'un GPCR interagissant avec une Protéine G, offrant d'importants aperçus sur la signalisation des GPCR. Cependant, beaucoup des images capturées ne montrent que des états stables et ne révèlent pas toute la gamme de mouvements et de changements que ces protéines subissent.

Au cours des 20 dernières années, la spectrométrie de masse (MS) est devenue un outil précieux pour étudier la dynamique des GPCR. Cette technique mesure comment les protéines changent avec le temps, aidant à identifier comment différents ligands affectent leur comportement.

Une approche prometteuse en utilisant la spectrométrie de masse est la spectrométrie de masse par échange hydrogène-déuterium (HDX-MS). Cette méthode permet aux chercheurs de suivre le mouvement des protéines lorsqu'elles interagissent avec d'autres molécules, fournissant des informations vitales sur la dynamique et les processus impliqués.

#Investigation de GPBAR1 et du complexe Gs

Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur un GPCR spécifique appelé GPBAR1, qui est un récepteur impliqué dans la régulation de l'énergie et du métabolisme. On a analysé GPBAR1 lorsqu'il était lié à son ligand actif, P395, et interagissant avec un type de protéine G appelé Gs. Cette interaction joue un rôle dans la prévention du diabète et la réduction de l'inflammation, ce qui fait de GPBAR1 une cible prometteuse pour de nouveaux traitements.

Avec la cryo-EM, on a obtenu une structure détaillée du complexe GPBAR1/Gs à une résolution de 2,5 Å. On a aussi utilisé la HDX-MS pour analyser les mouvements et les changements dans GPBAR1 et la protéine G pendant leur interaction.

#Purification du complexe GPBAR1/G

Pour mener nos expériences, on a d'abord eu besoin de créer un complexe GPBAR1/Gs fonctionnel. Ça a été fait en exprimant la protéine GPBAR1 avec les sous-unités de la protéine G dans des cellules d'insectes. Après que les protéines aient été produites, elles ont été purifiées et stabilisées avec le ligand P395 et un anticorps spécial connu sous le nom de Nb35.

On a utilisé la photométrie de masse, une technique qui mesure la masse des protéines, pour évaluer la pureté et l'homogénéité de notre complexe GPBAR1/Gs. Les résultats ont indiqué la présence du complexe désiré avec quelques espèces mineures dues à l'agrégation des protéines.

#Analyse HDX-MS du complexe GPBAR1/Gs

Pour comprendre comment le complexe GPBAR1/Gs change et interagit, on a utilisé la HDX-MS. L'optimisation des conditions de HDX était cruciale pour s'assurer qu'on pouvait suivre beaucoup de peptides et obtenir une vue complète de la dynamique des protéines.

L'optimisation a permis d'identifier un grand nombre de peptides couvrant plus de 99 % de la séquence protéique de GPBAR1. On a constaté que lorsque GPBAR1 interagit avec Gs, de nombreuses régions deviennent plus stables, ce qui indique que la liaison de Gs aide à verrouiller GPBAR1 dans une forme spécifique.

En particulier, on a noté des changements significatifs dans les régions TM7 et TM5, qui ont montré une augmentation marquée de l'absorption de déutérium, suggérant que ces zones sont très dynamiques et jouent un rôle important dans l'activation des GPCR.

#Dynamique des sous-unités de la protéine G

On a aussi analysé comment les sous-unités individuelles de la protéine G (Gαs, Gβ et Gγ) réagissaient pendant l'interaction avec GPBAR1. Nos résultats ont indiqué que les différentes sous-unités ont des niveaux de flexibilité variés lorsqu'elles sont liées à GPBAR1. Notamment, Gαs a montré des changements considérables, tandis que Gγ est resté surtout inchangé.

Cette différence de dynamique suggère que la liaison de GPBAR1 à Gαs entraîne d'importants changements conformationnels, facilitant le processus de signalisation.

#Structure cryo-EM du complexe GPBAR1/G

En plus de la HDX-MS, on a obtenu des images cryo-EM du complexe GPBAR1/Gs. La structure la plus haute résolution a révélé des parties clés de GPBAR1 et comment elles interagissent avec Gs. La structure de base a fourni des aperçus sur le positionnement du ligand et les régions critiques impliquées dans l'interaction entre GPBAR1 et Gs, renforçant les observations faites avec la HDX-MS.

#Combinaison des techniques pour de meilleurs aperçus

En combinant la HDX-MS et la cryo-EM, on a gagné une compréhension plus profonde des interactions moléculaires au sein du complexe GPBAR1/Gs. Les données de la HDX-MS s'alignaient bien avec les détails structurels obtenus par cryo-EM, fournissant une image plus claire de la façon dont GPBAR1 et sa protéine G partenaire interagissent.

Par exemple, on a identifié des résidus spécifiques dans GPBAR1 qui interagissent directement avec la sous-unité Gαs. Les résultats ont indiqué que la liaison à Gs aide à stabiliser GPBAR1, réduisant sa flexibilité et altérant la dynamique de la protéine G.

#Conclusions

La combinaison de techniques à la pointe comme la photométrie de masse, la HDX-MS et la cryo-EM nous a permis d'étudier en profondeur le complexe GPBAR1/Gs. L'étude met en lumière la nature dynamique des interactions des GPCR et leur importance pour la signalisation cellulaire. Nos découvertes contribuent à une meilleure compréhension de la façon dont les GPCR fonctionnent, ce qui pourrait mener au développement de thérapies plus ciblées pour diverses maladies.

À l'avenir, cette approche complète peut être appliquée à d'autres GPCR et leurs partenaires de signalisation, fournissant de nouveaux aperçus sur les mécanismes d'activation et de fonctionnement des GPCR. En améliorant notre compréhension de ces interactions, les chercheurs pourraient développer des traitements efficaces ciblant des voies spécifiques liées aux GPCR, ce qui pourrait bénéficier à de nombreux patients à travers le monde.