Base structurelle de la reconnaissance du LSD psychédélique au récepteur de dopamine D1

Base structurelle de la reconnaissance de LSD par le récepteur D1 de la dopamine

Contexte de l’étude et problématique

Le LSD (diéthylamide de l’acide lysergique) est un hallucinogène bien connu qui agit principalement sur divers récepteurs de neurotransmetteurs, y compris les récepteurs 5-HT (sérotonine) et les récepteurs de la dopamine, produisant des effets cognitifs et perceptuels profonds. Les récepteurs 5-HT2A et 5-HT2B sont les principales cibles du LSD, et les chercheurs ont depuis longtemps exploré les interactions du LSD avec ces récepteurs. Cependant, bien que les récepteurs de la dopamine, en particulier les récepteurs de type D1 (DRD1), soient considérés comme des cibles importantes du LSD, les dynamiques de liaison spécifiques et le mécanisme d’action structurel sur ces récepteurs restent flous. Le récepteur D1 est le récepteur de la dopamine le plus abondant dans le système nerveux central, impliqué dans la mémoire, l’apprentissage et la fonction cognitive. Décrypter davantage les mécanismes de reconnaissance et de liaison du LSD au DRD1 est essentiel pour comprendre ses effets hallucinogènes et ses applications thérapeutiques potentielles.

Origine et publication de l’étude

Cette étude a été réalisée par Luyu Fan, Youwen Zhuang, Hongyu Wu, et al., provenant de plusieurs institutions de recherche de premier plan en Chine, dont le Laboratoire clé pour la science de la santé systémique de l’Académie chinoise des sciences, le Centre de pharmacologie structurale de l’Institut de pharmacologie de Shanghai, et l’Institut iHuman de l’Université des sciences et technologies de Shanghai. L’article a été publié en octobre 2024 dans la revue « Neuron » et présente une analyse structurelle par microscopie électronique cryogénique (Cryo-EM) de la liaison du LSD avec le DRD1, explorant comment différentes protéines de transduction du signal influencent la dynamique du récepteur.

Déroulement de l’étude et méthodes expérimentales

1. Conception de l’étude

L’étude a principalement utilisé la résolution de structures par microscopie électronique cryogénique, associée à la technologie d’anticorps nanobody, pour examiner en profondeur la structure de liaison du LSD avec le récepteur DRD1. Les étapes clés de cette étude comprenaient :

• Conception et sélection des nanobodies : Tout d’abord, l’équipe de recherche a conçu un nanobody NBA3 mimant la β-arrestine en modifiant la séquence en acides aminés de la région CDR3, rendant possible la liaison avec le DRD1 et stabilisant sa conformation active.
• Expression et purification du complexe LSD-DRD1 : Grâce à l’ingénierie protéique, l’équipe a fusionné le NBA3 à l’extrémité C du DRD1 et introduit des mutations stabilisantes pour améliorer l’efficacité d’expression et de purification du complexe protéique.
• Analyse structurelle par microscopie électronique cryogénique : En utilisant cette technologie, les chercheurs ont réussi à résoudre la structure du complexe LSD-DRD1 avec une résolution de 3.6 Å. Afin d’améliorer encore la précision de l’analyse structurelle, un autre agoniste, PF6142, a été utilisé, permettant d’obtenir une structure à haute résolution de 3.0 Å.
• Simulation dynamique moléculaire et mesure de la dynamique de liaison : L’équipe a utilisé la simulation dynamique moléculaire et des expériences de liaison isotopique pour étudier le modèle de liaison du LSD et sa dynamique de dissociation, analysant l’impact des différentes protéines de transduction (protéine G et β-arrestine) sur la stabilité du récepteur.

2. Découvertes expérimentales clés

Au cours du processus de sélection des nanobodies, il a été démontré que le NBA3 pouvait stabiliser le site de liaison de la β-arrestine sur le DRD1, affichant des propriétés pharmacologiques similaires à celles de la β-arrestine. L’analyse structurelle a révélé que le mode de liaison du LSD sur le DRD1 différait significativement de son mode de liaison sur le récepteur 5-HT2. Sur le DRD1, la partie ergoline du LSD est plus proche de TM4 (hélice transmembranaire 4) et éloignée de TM5, cette conformation unique entraînant une dissociation très rapide du LSD.

L’étude révèle en outre que la flexibilité de la région ECL2 (boucle extracellulaire 2) du DRD1 joue un rôle clé dans la dissociation rapide du LSD. Cependant, en présence de la protéine G, la conformation de l’ECL2 devient stable, ralentissant ainsi la vitesse de dissociation du LSD de manière significative.

Résultats principaux

1. Mode de liaison unique du LSD au DRD1

La liaison du LSD au DRD1 implique la formation de ponts salins conservés, avec D103^3.32 formant un rôle d’ancrage clé avec l’azote basique du système ergoline du LSD. Par rapport au mode de liaison sur les récepteurs 5-HT2A et 5-HT2B, le LSD montre une plus grande liberté de rotation sur le DRD1. Cet ajustement rotationnel aide le LSD à éviter les conflits spatiaux avec le résidu K2.61 du DRD1, influençant ainsi la transduction du signal du récepteur.

2. Flexibilité de l’ECL2 et dynamique de dissociation du LSD

L’étude montre que la flexibilité de la région ECL2 du DRD1 est la raison principale de la rapidité de dissociation du LSD. Après l’introduction de la mutation S188^45.52L, la conformation de l’ECL2 devient plus stable, prolongeant ainsi considérablement le temps de résidence du LSD sur le récepteur. Cette découverte démontre le rôle essentiel de l’ECL2 dans la régulation de la dynamique de dissociation des ligands.

3. Effet stabilisateur de la protéine G sur la conformation du récepteur

L’étude a révélé que la liaison de la protéine G stabilise le mouvement externe des hélices TM5 et TM6 du DRD1, tout en stabilisant la conformation de l’ECL2. Cette stabilité entraîne une réduction significative du taux de dissociation du LSD et de l’antagoniste SCH23390 en présence de la protéine G. Les résultats de la simulation dynamique moléculaire confirment également la contribution de la protéine G à la stabilité de l’ECL2.

Conclusion et signification de l’étude

Par une analyse structurelle et dynamique, cette étude a révélé pour la première fois le mode de liaison unique du LSD au récepteur D1 de la dopamine et le mécanisme moléculaire de sa dissociation rapide. De plus, elle montre le rôle clé de la protéine G dans la stabilisation de la conformation active du récepteur et la prolongation du temps de résidence des ligands. Ces découvertes apportent une base structurelle importante à l’étude des mécanismes dynamiques des GPCR (récepteurs couplés aux protéines G) et suggèrent de nouvelles pistes pour la conception de médicaments ciblant précisément le DRD1.

Points forts et innovations de l’étude

• Application innovante du nanobody NBA3 : L’équipe de recherche a conçu un nanobody NBA3 capable de mimer l’action de la β-arrestine, améliorant considérablement la résolution de l’analyse structurelle et révélant l’impact des protéines de transduction sur la conformation du récepteur.
• Première résolution de la structure de liaison LSD-DRD1 : Cette étude a utilisé pour la première fois la microscopie électronique cryogénique pour résoudre la structure de liaison du LSD au DRD1, fournissant une base structurelle essentielle pour comprendre le mécanisme d’action du LSD sur les récepteurs de la dopamine.
• Révélation de l’effet de stabilisation de la protéine G sur le récepteur : L’étude a montré que la protéine G peut non seulement stabiliser les hélices TM5 et TM6 du DRD1, mais aussi prolonger le temps de résidence des ligands en stabilisant la conformation de l’ECL2, un mécanisme avec un potentiel d’application important dans la conception de médicaments ciblant les GPCR.

Signification et perspectives de l’étude

Cette étude a approfondi la compréhension des mécanismes de reconnaissance et de liaison du LSD au récepteur D1 de la dopamine, révélant un nouveau mécanisme de régulation dynamique des GPCR. Elle offre une base scientifique pour explorer les mécanismes hallucinogènes du LSD et ses applications thérapeutiques potentielles. Les recherches futures pourraient utiliser ces informations structurelles pour développer de nouvelles molécules médicamenteuses capables de réguler sélectivement les voies de signalisation médiées par le DRD1, applicables au traitement des maladies neuropsychiatriques.

Cette recherche apporte non seulement de nouveaux aperçus dans le domaine des GPCR, mais fournit également une référence précieuse pour les futures études en biologie structurale et en chimie médicinale.