Autorégulation de la signalisation GPCR via la troisième boucle intracellulaire

Nature volume 615, pages 734-741 (2023)Citer cet article

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La troisième boucle intracellulaire (ICL3) du repli du récepteur couplé aux protéines G (GPCR) est importante pour le processus de transduction du signal en aval de l'activation du récepteur1,2,3. Malgré cela, l’absence de structure définie d’ICL3, combinée à sa forte divergence de séquence entre les GPCR, complique la caractérisation de son implication dans la signalisation des récepteurs4. Des études antérieures portant sur le récepteur adrénergique β2 (β2AR) suggèrent qu'ICL3 est impliqué dans le processus structurel d'activation et de signalisation du récepteur5,6,7. Nous obtenons ici des informations mécanistiques sur le rôle d'ICL3 dans la signalisation β2AR, en observant qu'ICL3 autorégule l'activité du récepteur via un équilibre conformationnel dynamique entre les états qui bloquent ou exposent le site de liaison à la protéine G du récepteur. Nous démontrons l'importance de cet équilibre pour la pharmacologie des récepteurs, en montrant que les effecteurs mimétiques des protéines G biaisent les états exposés d'ICL3 pour activer allostériquement le récepteur. Nos résultats révèlent en outre que ICL3 ajuste la spécificité de la signalisation en inhibant le couplage du récepteur aux sous-types de protéines G qui se couplent faiblement au récepteur. Malgré la diversité des séquences d'ICL3, nous démontrons que ce mécanisme de sélection négative de la protéine G via ICL3 s'étend aux GPCR de toute la superfamille, élargissant ainsi la gamme de mécanismes connus par lesquels les récepteurs assurent la médiation de la signalisation sélective du sous-type de protéine G. De plus, nos résultats collectifs suggèrent qu'ICL3 est un site allostérique pour les ligands spécifiques des récepteurs et des voies de signalisation.

L’accumulation de données structurelles permet de plus en plus de cartographier à résolution atomique les mécanismes d’activation des GPCR. Ces détails fins peuvent être utilisés pour concevoir des agents thérapeutiques ciblant des GPCR spécifiques impliqués dans divers états pathologiques8. Bien que l’activation du GPCR soit mieux comprise grâce aux changements conformationnels dans les sept hélices transmembranaires du récepteur, les domaines terminaux et en boucle reliant ces hélices sont également essentiels au fonctionnement et à la régulation du récepteur dans un contexte cellulaire9. En raison de l’inaccessibilité de ces régions aux méthodes structurales traditionnelles, on manque de connaissances sur la façon dont elles contribuent aux mécanismes de signalisation des GPCR. Une caractérisation ciblée de la dynamique de ces régions affinerait notre compréhension de leurs rôles dans la signalisation GPCR, avec le potentiel d'identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques4.

Nous nous concentrons ici sur ICL3, qui est la plus grande des trois boucles intracellulaires dans de nombreux GPCR de classe A, dont la taille varie de 10 à 240 acides aminés. ICL3 relie les hélices transmembranaires cinq et six, qui sont responsables des changements structurels entre les états inactif et actif du récepteur, et est adjacente au site de liaison à l'effecteur de signalisation du récepteur10. L'emplacement physique d'ICL3 corrobore un grand nombre d'études de mutagenèse impliquant cette région dans l'activation et la signalisation du récepteur (Tableau supplémentaire 1). Cependant, les changements dans la pharmacologie des récepteurs lors de la mutagenèse d'ICL3 varient considérablement entre les récepteurs, ainsi qu'entre les emplacements des sites mutés sur les récepteurs individuels (Extended Data Fig. 1). Compte tenu de ce manque de consensus, les mécanismes par lesquels ICL3 influence l’activation des récepteurs restent mal compris. Ceci est exacerbé par la diversité des séquences d’ICL3, même parmi des récepteurs étroitement apparentés11. De plus, le désordre intrinsèque prédit et le manque de résolution structurelle d’ICL3 dans la plupart des structures publiées limitent la caractérisation structure-fonction12. Dans cette étude, nous comblons ce manque de connaissances en proposant un cadre conceptuel fondamental pour le rôle d'ICL3 dans la signalisation GPCR.

Nous avons concentré notre étude mécanistique initiale sur ICL3 de β2AR, un prototype structurel pour l'étude GPCR13. La modélisation moléculaire du β2AR suggère que son ICL3 peut se loger dans la cavité intracellulaire du récepteur, régulant potentiellement l'activation des effecteurs de signalisation en aval du récepteur5. Il a été proposé que cette conformation compacte d'ICL3 communique de manière allostérique avec le domaine extracellulaire du récepteur, conduisant à une coordination étroite entre l'état d'activation du récepteur et la conformation d'ICL314. En parallèle, la mutagenèse d'ICL3 modifie la dynamique conformationnelle du récepteur, telle que mesurée par spectroscopie RMN 19F6. Sur la base de ces informations, nous avons cherché à construire un modèle mécaniste pour la fonction ICL3 dans l'activation et la signalisation de β2AR en déterminant son ensemble conformationnel.