Rapport sur les nouvelles académiques: L’endocytose des récepteurs couplés aux protéines G dans la signalisation biaisée par β-arrestine

Contexte de la recherche

Parmi les familles de récepteurs de surface cellulaire, les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) constituent la plus grande famille. Lorsqu’ils sont activés par des ligands, ils interagissent avec diverses protéines de signalisation, déclenchant la transduction du signal intracellulaire. Cette activation n’est pas seulement équilibrée, mais peut aussi être sélective, connue sous le nom de signalisation biaisée ou de sélectivité fonctionnelle. Ce phénomène suscite un intérêt particulier car le développement de médicaments biaisés peut atteindre des effets thérapeutiques tout en évitant les effets secondaires indésirables. Par exemple, le récepteur de l’angiotensine II de type 1 (AT1R) est l’un des GPCRs les plus étudiés. Son ligand endogène, l’angiotensine II (AngII), est un agoniste complet de l’AT1R, mais les dérivés de l’AngII manquant certains acides aminés aromatiques tendent à activer la voie de la β-arrestine plutôt que la signalisation par les protéines G. En outre, les agonistes de l’AT1R montrent des effets multifonctionnels avec différents sous-types de protéines G et de kinases des récepteurs couplés aux protéines G (GRK), et les biais de différents ligands sont également associés à des effets spécifiques in vivo, comme l’agoniste biaisé pour la β-arrestine TRV120027 qui est en phase d’essais cliniques.

Bien que des théories existantes suggèrent que les effets cellulaires des ligands biaisés sont réalisés en stabilisant différentes conformations du récepteur, comme l’ont prouvé certaines études de structure cristalline, l’application de ces théories en clinique et leur association avec les facteurs temporels et spatiaux de la signalisation des récepteurs reste une énigme. Ces dernières années, les progrès des capteurs de cellules vivantes et des lignées cellulaires modifiées génétiquement ont considérablement amélioré notre compréhension des séquences temporelles de la signalisation et ont souligné l’importance du « biais temporel » et du « biais spatial ». Sur cette base de recherche, Tóth et al. ont mené une étude systématique sur le biais de signalisation des agonistes de l’AT1R, révélant le rôle crucial de l’endocytose des récepteurs dans cette régulation.

Origine de la recherche

Cet article est rédigé par András D. Tóth, Bence Szalai, Orsolya T. Kovács, Dániel Garger, Susanne Prokop, Eszter Soltész-Katona, András Balla, Asuka Inoue, Péter Várnai, Gábor Turu et László Hunyady, provenant de l’Institut de sciences de la vie moléculaire de l’Académie hongroise des sciences, du Département de physiologie de l’Université Semmelweis, du Centre Helmholtz de santé computationnelle à Munich, du Laboratoire de physiologie moléculaire du Réseau de recherche hongrois et de l’Université de Tohoku au Japon. L’article est publié dans le journal Scientific Signaling le 25 juin 2024.

Processus de recherche

Sujets et méthodes de l’étude

L’étude a exploré le biais spatio-temporel des agonistes de l’AT1R dans la voie de signalisation de la β-arrestine à travers une série d’expériences de dynamique et de modélisation mathématique. Les méthodes spécifiques sont les suivantes : 1. Expériences de dynamique dynamique : - Utilisation de 9 ligands peptidiques de l’AT1R, chacun montrant des affinités et des biais de signalisation significativement différents. - Application de la technique de transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) pour mesurer l’interaction entre l’AT1R et la β-arrestine. - Mesure de l’activation des protéines G en surveillant la dissociation des sous-unités de protéines G marquées.

1. Inhibition de l’endocytose :

   • Utilisation de la forme dominante négative de la dynamine Dyn-K44A pour empêcher l’endocytose des récepteurs.
   • Inhibition de la dégradation de PtdIns(4,5)P2 et inhibition de l’endocytose par une solution de saccharose hypertonique.

2. Recrutement de la β-arrestine dans les endosomes :

   • Conception de biosenseurs localisés dans les régions cellulaires pour surveiller le transfert de la β-arrestine entre la membrane plasmique et les endosomes précoces.
   • Utilisation de la microscopie à fluorescence confocale et d’algorithmes d’apprentissage automatique pour quantifier la formation de vésicules de β-arrestine dans les cellules.

3. Modélisation mathématique :

   • Construction d’un modèle de dynamique pour simuler l’activité des protéines Gq et la liaison de la β-arrestine.
   • Analyse par simulation numérique de l’impact des taux de dissociation des ligands sur le recrutement de la β-arrestine.

Conception expérimentale et points d’innovation

L’étude a présenté plusieurs méthodes innovantes : 1. Conception d’un système de capteurs BRET ciblant différentes compartiments cellulaires pour surveiller la dynamique intracellulaire de la β-arrestine. 2. Utilisation de la modélisation mathématique pour analyser en profondeur la dynamique des interactions récepteur-β-arrestine sous la régulation de multiples facteurs. 3. Développement d’algorithmes d’apprentissage automatique pour l’analyse automatisée des images de microscopie à fluorescence, améliorant l’efficacité et la précision du traitement des données expérimentales.

Résultats principaux

Impact de l’endocytose sur l’interaction avec la β-arrestine

L’étude a révélé que l’endocytose de l’AT1R affecte de manière significative le recrutement de la β-arrestine : - Après inhibition de l’endocytose des récepteurs, les courbes de liaison spécifiques aux ligands pour la β-arrestine tendent à se rapprocher, indiquant que l’endocytose joue un rôle clé dans l’interaction avec la β-arrestine. - Les expériences ont également montré que différents ligands présentent des capacités de recrutement de la β-arrestine dans les endosomes de manière significativement différente. Les agonistes plus puissants forment des complexes récepteur-β-arrestine plus stables dans les endosomes. - Les observations en microscopie confocale ont confirmé les résultats des mesures BRET : le recrutement de la β-arrestine dans les endosomes est un facteur de régulation indépendant.

Impact des taux de dissociation des ligands sur l’interaction avec la β-arrestine

Des recherches supplémentaires ont montré : - Le taux de dissociation des ligands (koff_lr) influence directement la vitesse de séparation de la β-arrestine2 du récepteur, affectant ainsi la quantité totale de signalisation par la β-arrestine. - Les analyses de puissance montrent une corrélation négative entre un taux de dissociation plus élevé des ligands et l’efficacité de recrutement de la β-arrestine, mais l’activité des protéines G pendant la période analogue agit principalement pour promouvoir la formation du complexe récepteur-β-arrestine.

Applicabilité générale de l’endocytose

L’étude a également démontré : - Un autre récepteur de type b, le récepteur V2 (V2R), montre une dépendance à l’endocytose pour le recrutement de la β-arrestine similaire à celle de l’AT1R. - Le récepteur β2AR des caroténoïdes ne peut pas recruter la β-arrestine dans les endosomes, mais après ingénierie génétique pour le convertir en récepteur de type b, il montre une dépendance notable aux ligands, l’effet de l’endocytose se produisant de manière parallèle.

Modélisation mathématique soutenant les résultats expérimentaux

Les résultats des simulations du modèle sont cohérents avec les résultats expérimentaux : - En ajoutant le processus d’endocytose, les effets de recrutement de la β-arrestine dans les endosomes sont significatifs pour les ligands avec différents valeurs de koff_lr. - La signalisation intracellulaire peut être coordonnée par l’endocytose pour ajuster les effets biaisés temporels et spatiaux des ligands, réalisant une sélectivité fonctionnelle différenciée.

Conclusion et signification

Conclusions de l’étude et valeur

L’étude montre : - L’endocytose joue un rôle clé dans le biais spatio-temporel de la signalisation des GPCRs. - Les mécanismes de régulation multifactoriels pendant le processus d’endocytose sont cruciaux pour la sélectivité fonctionnelle des ligands biaisés, en particulier l’impact des taux de dissociation des ligands et de l’activité des protéines G sur les interactions récepteur-β-arrestine. - Ces découvertes non seulement avancent la compréhension des mécanismes de signalisation biaisée des GPCRs, mais fournissent également de nouvelles directions pour la conception de médicaments, en particulier dans le développement de médicaments sélectifs susceptibles d’éviter les effets secondaires.

Points forts de la recherche

• L’étude révèle pour la première fois le rôle clé de l’endocytose dans la régulation de la signalisation biaisée des GPCRs.
• Par une exploration mécanistique approfondie, elle révèle les impacts spécifiques des taux de dissociation des ligands et de l’activité des protéines G.
• La modélisation mathématique et les résultats expérimentaux se valident mutuellement, augmentant la crédibilité et l’applicabilité générale de la recherche.

Cette recherche montre l’importance de combiner des méthodes sensitives et de traitement de données intelligentes, ouvrant de nouvelles voies et idées pour le développement de médicaments et la recherche sur la transduction du signal à l’avenir.‘éviter les effets secondaires.

Points forts de la recherche

• L’étude révèle pour la première fois le rôle crucial de l’endocytose dans la régulation biaisée des signaux des GPCRs.
• Une exploration mécanistique approfondie révèle les impacts spécifiques des taux de dissociation des ligands et de l’activité des protéines G.
• La modélisation mathématique et les résultats expérimentaux se valident mutuellement, améliorant la crédibilité et l’applicabilité générale de la recherche.

Cette recherche illustre l’importance de la combinaison de méthodes de traitement des données sensorielles et intelligentes, ouvrant de nouvelles voies et perspectives pour la recherche sur le développement de médicaments et la signalisation.