Pour la première fois, les scientifiques ont visualisé l'interaction entre deux composants essentiels du vaste réseau de communication cellulaire du corps, une découverte qui pourrait conduire à des médicaments plus efficaces avec moins d'effets secondaires pour des conditions allant de la migraine au cancer.

Les images à résolution quasi atomique, publié aujourd'hui dans La nature , montrent un récepteur couplé aux protéines G (RCPG) appelé rhodopsine lié à une protéine G inhibitrice, et fournit un modèle pour une conception plus précise, médicaments sélectifs tout en résolvant un problème de longue date sur le terrain.

« La visualisation de ce complexe résout un chapitre manquant dans l'histoire du GPCR en révélant enfin comment ces deux molécules interagissent avec des détails exquis, " a déclaré H. Eric Xu, Doctorat., professeur au Van Andel Research Institute (VARI) et l'un des auteurs principaux de l'étude. "Tout en biologie est basé sur des interactions moléculaires, donc plus nous en savons sur la façon dont les structures de ces deux molécules fonctionnent ensemble, la meilleure position dans laquelle nous sommes pour concevoir des médicaments améliorés avec moins d'effets indésirables. »

Les découvertes d'aujourd'hui ont été rendues possibles grâce à l'utilisation d'une technique révolutionnaire appelée cryomicroscopie électronique (cryo-EM), qui permet aux scientifiques de voir des molécules difficiles à visualiser avec une clarté surprenante.

"L'utilisation de la technologie cryo-EM pour obtenir des informations structurelles sur des cibles pharmaceutiques importantes telles que les GPCR dans divers états démontre que nous sommes maintenant en mesure d'appliquer ces méthodes pour des applications de découverte de médicaments, " dit Sriram Subramaniam, Doctorat., chercheur à l'Institut national du cancer des Instituts nationaux de la santé et auteur principal de l'étude.

Intégré dans la membrane cellulaire, Les GPCR agissent comme des conduits entre une cellule et son environnement, interagir avec les protéines G et d'autres molécules de signalisation appelées arrestations pour transmettre des messages importants vers et depuis la cellule qui régulent une gamme de fonctions physiologiques, y compris la croissance, réponses immunitaires et perception sensorielle.

Lorsqu'il est associé à des GPCR, les protéines G inhibitrices régulent la production de messagers chimiques secondaires qui ont des effets dans tout le corps, des interactions avec les récepteurs de la sérotonine dans le cerveau et l'intestin, qui aident à réguler l'humeur et l'appétit, aux interactions avec les récepteurs de la dopamine dans le cerveau, qui contrôlent les réponses de récompense et le mouvement volontaire, parmi beaucoup d'autres.

Ces interactions de grande envergure avec les protéines G et les arrêtines, couplée à leur accessibilité à l'extérieur de la cellule, faire des GPCR des cibles attractives pour le développement thérapeutique. Actuellement, plus de 30 pour cent des médicaments sur le marché fonctionnent en interagissant avec les GPCR.

"Les informations révélées par nos découvertes aideront à faciliter la conception d'une nouvelle génération de médicaments, " dit Yanyong Kang, Doctorat., chercheur au Laboratoire Xu et co-premier auteur de l'étude. "Parce qu'il s'agit du premier complexe de protéine G inhibiteur de GPCR à être structurellement déterminé, nous pensons que nos méthodes contribueront à la caractérisation d'autres éléments importants, mais des GPCR difficiles à visualiser."

Les images 3D générées par l'équipe révèlent une hélice spécialisée à l'extrémité de la protéine G inhibitrice qui agit comme une signature structurelle, qui aide les GPCR comme la rhodopsine à différencier les protéines G inhibitrices d'un autre type de protéine G connue sous le nom de protéine G stimulatrice.

Les découvertes d'aujourd'hui sont les dernières d'une série de premières pour Xu et son équipe, qui incluent un point de repère 2015 La nature étude qui a d'abord décrit la structure de la rhodopsine et de l'arrestine en complexe ensemble. Ce travail, qui a été saluée comme une percée majeure dans le domaine, a valu à Xu le prix Hans Neurath de la Protein Society et de la Fondation Hans Neurath en 2016.

Dans une étude de suivi publiée dans Cellule en 2017, Xu et ses collaborateurs ont encore affiné leur structure antérieure du complexe rhodopsine-arrestine, et a révélé un ensemble de codes de phosphorylation qui dictent l'assemblage des complexes GPCR-arrestine.

Les GPCR sont notoirement difficiles à visualiser en utilisant les méthodes traditionnelles de cristallographie aux rayons X; à ce jour, seuls 40 des plus de 800 RCPG au total ont vu leurs structures déterminées, y compris le complexe rhodopsine-arrestine de Xu.

Pour déterminer la structure actuelle, l'équipe a exploité le microscope cryoélectronique Titan Krios à haute puissance de VARI, qui est capable d'imager des molécules au 1/10, 000ème de la largeur d'un cheveu humain et peut plus facilement visualiser des molécules comme les GPCR qui sont intégrées dans la membrane cellulaire. Les Krios de l'Institut, qui fait partie de sa suite de microscopie cryoélectronique avancée David Van Andel, est l'un des moins de 120 microscopes de ce type dans le monde.

Subramaniam et son équipe ont été les premiers à utiliser la cryo-EM pour déterminer certaines des structures à plus haute résolution signalées jusqu'à présent à l'aide de la cryo-EM, y compris plusieurs complexes ligand-protéine cliniquement pertinents.