Mécanisme moléculaire de l'agonisme biaisé par l'arrestine du récepteur de la neurotensine 1 par un modulateur allostérique intracellulaire
Contexte académique
Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) constituent la famille de récepteurs la plus abondante à la surface des cellules humaines et sont également les cibles les plus courantes des médicaments approuvés par la FDA. Les GPCRs jouent un rôle crucial dans le traitement de diverses maladies telles que la douleur, le diabète, les maladies cardiovasculaires et le cancer. Cependant, le développement de médicaments ciblant les GPCRs est confronté à de nombreux défis, notamment la sélectivité des sous-types de récepteurs et le contrôle des effets secondaires ciblés et non ciblés. Les ligands orthostériques traditionnels ont souvent du mal à résoudre ces problèmes, ce qui a conduit au développement de modulateurs allostériques (allosteric modulators) comme une stratégie prometteuse. Les modulateurs allostériques peuvent sélectivement amplifier ou inhiber la signalisation des ligands endogènes, tout en offrant une excellente sélectivité des sous-types de récepteurs.
Ces dernières années, une classe de molécules appelées modulateurs allostériques biaisés (biased allosteric modulators, BAMs) a suscité un intérêt considérable. Les BAMs possèdent non seulement des fonctions de modulation allostérique, mais peuvent également orienter la signalisation des récepteurs vers les voies des protéines G ou des β-arrestines, évitant ainsi certains effets secondaires. Bien que des études aient déjà résolu les structures des complexes GPCR avec des protéines G ou des kinases des récepteurs couplés aux protéines G (GRK) en présence de BAMs, la structure des complexes GPCR avec β-arrestine en présence de BAMs n’a pas encore été résolue, ce qui limite la compréhension complète des propriétés pharmacologiques des BAMs.
Cette étude vise à révéler comment les BAMs modulent l’interaction entre les GPCRs et les β-arrestines, en particulier en résolvant la structure à haute résolution par cryo-microscopie électronique du récepteur de la neurotensine 1 (NTSR1) avec β-arrestine1 et le BAM SBI-553, comblant ainsi une lacune critique dans les connaissances.
Source de l’article
Cet article a été co-écrit par Demeng Sun, Xiang Li, Qingning Yuan et d’autres chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Chine, de l’Université Tsinghua, de l’Institut de Matière Médicale de Shanghai de l’Académie Chinoise des Sciences, entre autres institutions. Il a été publié en ligne le 21 mars 2025 dans la revue Cell Research.
Processus et résultats de la recherche
1. Synthèse chimique du NTSR1 phosphorylé
L’étude a d’abord développé une stratégie de synthèse chimique de protéines pour générer le NTSR1 hexa-phosphorylé en C-terminal. La phosphorylation du C-terminal du NTSR1 est cruciale pour le recrutement et l’activation de β-arrestine1. L’équipe de recherche a synthétisé des peptides C-terminaux du NTSR1 avec différents motifs de phosphorylation et a validé leur affinité pour β-arrestine1 par des expériences de polarisation de fluorescence. Les résultats ont montré que le peptide hexa-phosphorylé (Ser401/Ser403/Ser404 et Thr407/Ser409/Ser410) avait une affinité significativement accrue pour β-arrestine1, avec une constante de dissociation (Kd) de 35 nM.
2. Assemblage et résolution structurelle du complexe NTSR1-β-arrestine1-SBI-553
L’équipe de recherche a utilisé le NTSR1 hexa-phosphorylé synthétisé chimiquement pour assembler le complexe NTSR1-β-arrestine1-SBI-553 et a résolu sa structure à haute résolution (2.65–2.88 Å) par cryo-microscopie électronique. La structure a révélé que la liaison de SBI-553 induisait une restructuration significative des régions intracellulaires du NTSR1, en particulier de la boucle intracellulaire 3 (ICL3) et de la région de l’hélice transmembranaire 6 (TM6). Cette restructuration permet à l’ICL3 de s’insérer dans la cavité de la crête centrale de β-arrestine1, formant une configuration unique de “liaison en boucle”, distincte de la configuration traditionnelle de “liaison au cœur”.
3. Comparaison structurelle et analyse fonctionnelle
En comparant les structures des complexes NTSR1-β-arrestine1 avec et sans SBI-553, l’étude a révélé que la liaison de SBI-553 modifiait significativement la conformation des régions intracellulaires du NTSR1, en particulier les extrémités cytoplasmiques de TM5 et TM6. De plus, SBI-553 formait des interactions hydrophobes étendues avec les régions intracellulaires du NTSR1, stabilisant davantage la structure du complexe. Les expériences fonctionnelles ont montré que SBI-553 pouvait significativement augmenter le recrutement de β-arrestine1 tout en inhibant la signalisation de la protéine Gαq.
4. Mécanisme d’interaction entre β-arrestine1 et NTSR1
L’étude a détaillé l’interface d’interaction entre NTSR1 et β-arrestine1 dans la configuration de “liaison en boucle”. L’ICL3 formait des liaisons hydrogène et des ponts salins étendus avec plusieurs boucles de la crête centrale de β-arrestine1, tandis que l’ICL1 formait des liaisons hydrogène avec la boucle en lasso (lariat loop) de β-arrestine1. Ces interactions stabilisaient conjointement la structure du complexe et favorisaient le recrutement de β-arrestine1.
5. Liaison du C-terminal phosphorylé avec β-arrestine1
L’étude a également observé que le C-terminal phosphorylé du NTSR1 se liait au lobe N de β-arrestine1, formant des interactions de complémentarité de charge. Les résidus phosphorylés Thr407, Ser409 et Ser410 formaient des liaisons hydrogène et des ponts salins stables avec plusieurs résidus chargés positivement de β-arrestine1, renforçant davantage la stabilité du complexe.
Conclusions et implications de l’étude
Cette étude a résolu pour la première fois la structure du complexe GPCR avec β-arrestine en présence d’un BAM, révélant comment SBI-553 induit la configuration de “liaison en boucle” du NTSR1 pour sélectivement augmenter le recrutement de β-arrestine1. Cette découverte comble une lacune critique dans la compréhension de la modulation des interactions GPCR-β-arrestine par les BAMs et fournit une base structurelle importante pour le développement de médicaments ciblant les GPCRs plus sûrs et plus efficaces.
Points forts de l’étude
- Résolution structurelle à haute résolution : Cette étude a résolu la structure du complexe NTSR1-β-arrestine1-SBI-553 à haute résolution (2.65 Å), la plus élevée à ce jour pour un complexe GPCR-β-arrestine.
- Configuration unique de “liaison en boucle” : L’étude a découvert un nouveau mode de liaison entre β-arrestine1 et GPCR, la configuration de “liaison en boucle”, jamais observée auparavant dans les complexes GPCR-β-arrestine.
- Stratégie de synthèse chimique de protéines : L’équipe de recherche a développé une stratégie de synthèse chimique de protéines pour générer le NTSR1 hexa-phosphorylé en C-terminal, fournissant un outil important pour étudier l’impact de la phosphorylation sur la fonction des GPCRs.
- Mécanisme de signalisation biaisée : L’étude a révélé comment SBI-553 module la conformation du NTSR1 pour sélectivement augmenter le recrutement de β-arrestine1, offrant de nouvelles perspectives pour le développement de médicaments GPCRs biaisés.
Autres informations précieuses
Cette étude a également fourni un mécanisme moléculaire détaillé de la liaison de SBI-553 au NTSR1, y compris les interactions hydrophobes entre SBI-553 et les régions intracellulaires du NTSR1, et comment SBI-553 modifie la conformation du NTSR1 pour empêcher la liaison des protéines G. Ces découvertes offrent de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes moléculaires des BAMs et fournissent des références importantes pour l’optimisation de la conception des BAMs.
Grâce à cette étude, les scientifiques ont non seulement comblé une lacune critique dans la compréhension des interactions GPCR-β-arrestine, mais ont également fourni une base structurelle importante pour le développement de médicaments ciblant les GPCRs plus sûrs et plus efficaces. Ces résultats devraient favoriser le développement ultérieur des médicaments ciblant les GPCRs, offrant de nouvelles stratégies pour le traitement de diverses maladies.