Des chercheurs se penchent sur la structure du récepteur protéique crucial pour la santé cardiovasculaire

Les maladies cardiovasculaires restent l’une des principales causes de décès dans le monde. Un contributeur majeur à ces affections est l’hypertension artérielle ou l’hypertension.

Bien qu’il existe des traitements pour la maladie, qui touche des dizaines de millions d’Américains, ces remèdes ont des effets secondaires et certaines variantes de la maladie résistent au traitement. Par conséquent, le besoin de thérapies plus efficaces pour traiter les maladies liées à l’hypertension est aigu. L’illustration montre une partie du récepteur pGC-A, connue sous le nom de domaine extracellulaire, dépassant des surfaces cellulaires du système cardiovasculaire. De petites molécules se lient au récepteur et exercent un contrôle subtil sur la pression artérielle. La nouvelle recherche offre le premier aperçu du récepteur complet, une étape vitale dans le développement de nouveaux médicaments pour traiter l’hypertension et d’autres conditions.

Cependant, pour y parvenir, les biologistes ont besoin de cartes plus détaillées des mécanismes sous-jacents à la régulation cardiovasculaire. L’un de ces régulateurs est un récepteur protéique qui repose sur les cellules cardiovasculaires et agit comme un conduit pour les messages qui sont transmis lorsque des molécules hormonales spécifiques se lient à elles.

Connu sous le nom de pGC-A, ce récepteur membranaire agit un peu comme un thermostat, ajustant avec sensibilité la pression artérielle du corps pour maintenir un équilibre homéostatique essentiel à la santé. Le récepteur agit non seulement comme un composant cellulaire vital pour l’homéostasie vasculaire et cardiaque, mais joue également un rôle important dans le métabolisme des lipides et est impliqué dans le développement du cancer.

Dans une nouvelle étude, publiée dans le numéro actuel de la revue Scientific Reports, des chercheurs du Centre de bioconception appliquée de l’Arizona State University et leurs collègues, en collaboration avec la Mayo Clinic, Rochester, font des progrès critiques en révélant la structure de pGC- UN.

L’étude fournit la première purification préliminaire, la caractérisation et l’analyse structurelle du récepteur de protéine pleine longueur. Les avancées de la recherche incluent la cristallisation de la protéine et la démonstration que ces cristaux diffractent les rayons X ; deux étapes critiques essentielles à la résolution de la structure.

Une meilleure compréhension de ce récepteur complexe et de ses mécanismes de signalisation ouvre la voie à un nouvel ensemble de médicaments antihypertenseurs, qui pourraient aider à prévenir les crises cardiaques et les accidents vasculaires cérébraux et à améliorer la récupération après ces incidents.

Cette réalisation est la première diffraction des rayons X décrite pour une nouvelle classe de récepteurs de protéines membranaires et représente un effort extraordinaire de la part de notre étudiant diplômé, Shangji Zhang. Les structures de classes uniques de protéines membranaires nécessitent souvent des années d’efforts et sont basées sur des percées critiques similaires. »

Debbie Hansen, co-auteur et chercheuse en biodesign

Le co-auteur John C. Burnett Jr., du département de médecine cardiovasculaire de la Mayo Clinic, à Rochester, a travaillé au développement de molécules candidates pour de nouveaux médicaments antihypertenseurs basés sur la structure du récepteur pGC-A.

menace de crise cardiaque

Selon l’Organisation mondiale de la santé, plus d’un tiers de tous les décès dans le monde peuvent être attribués aux maladies cardiovasculaires. L’hypertension est l’un des principaux facteurs contribuant à la progression des maladies cardiovasculaires.

Le fardeau de l’hypertension n’a cessé d’augmenter, ce qui a donné lieu à une récente recommandation du groupe de travail sur l’hypertension de l’Institut national du cœur, des poumons et du sang de « développer de nouveaux médicaments et traitements ciblant diverses populations de patients hypertendus », tels que les patients souffrant d’hypertension résistante. . . »

Les formes d’hypertension résistantes au traitement, plus susceptibles de survenir chez les patients obèses, diabétiques ou atteints d’insuffisance rénale, représentent 12 à 15 % des patients hypertendus. Ces personnes présentent une réponse limitée ou médiocre aux thérapies existantes. La condition peut se développer lorsque les vaisseaux sanguins deviennent calcifiés et inélastiques, perdant leur capacité à se contracter et à se détendre complètement. Des études cliniques montrent que le traitement de l’hypertension artérielle réduit le risque d’accident vasculaire cérébral de 35 à 40 % et le risque d’insuffisance cardiaque de 50 %.

Les maladies cardiovasculaires comprennent les cardiopathies rhumatismales et congénitales; maladie coronarienne, cérébrale et artérielle périphérique; Thrombose veineuse profonde; et embolie pulmonaire. La maladie coronarienne, l’une des principales causes de décès, survient lorsque le flux sanguin vers les cellules du muscle cardiaque est réduit ou obstrué, ce qui peut entraîner une insuffisance cardiaque. Aux États-Unis seulement, la condition devrait atteindre 70 milliards de dollars d’ici 2030.

De nouvelles idées commencent à se cristalliser

Le récepteur membranaire pGC-A existe sous trois formes principales. Cette classe de récepteurs est si importante qu’elle comprend la plupart des cibles de médicaments pharmaceutiques. Pour la plupart des organismes, qu’ils soient procaryotes comme les bactéries ou eucaryotes comme les mammifères, entre 20 et 30 % du génome est dédié à l’expression de protéines membranaires. Ces récepteurs dépassent de la membrane cellulaire externe et pénètrent profondément à l’intérieur de la cellule, agissant souvent comme des conduits pour les signaux externes qui modifient le comportement de la cellule.

Cependant, la conception de médicaments ciblant les protéines membranaires nécessite un schéma directeur très détaillé de la structure du récepteur, généralement à une résolution à l’échelle atomique. En utilisant ces informations, les concepteurs de médicaments peuvent concevoir un médicament qui se lie de manière sélective et précise au récepteur de la cellule pour produire un résultat donné.

Dans le cas du pGC-A, les molécules de liaison sont des hormones peptidiques produites par les cellules du système cardiovasculaire. Connues sous le nom d’hormones peptidiques natriurétiques, elles se produisent dans des variations naturelles et peuvent également être modifiées par synthèse, par mutation génétique. Une partie de l’activité du récepteur implique la conversion du GTP en cGMP, une molécule essentielle au fonctionnement normal des organes vitaux.

« Le cœur n’est pas seulement une pompe, mais une glande endocrine qui produit une hormone très bénéfique appelée peptide natriurétique auriculaire (ANP) », explique Burnett. « Cette hormone joue un rôle important dans la tension artérielle, les reins et dans l’équilibre métabolique général. »

creuser plus profondément

A ce jour, seul le composant extracellulaire du récepteur pGC-A a été caractérisé. Le travail actuel est une étape importante vers la caractérisation de la structure pleine longueur, en particulier le domaine transmembranaire et les régions fonctionnelles du domaine intracellulaire, dont on sait peu de choses actuellement.

Pour y parvenir, les chercheurs utilisent une méthode connue sous le nom d’expression de protéines de baculovirus. Le processus consiste à transformer des cellules d’insectes en minuscules usines productrices de protéines. Les cellules d’insectes ressemblent aux cellules humaines en termes de machines de traitement des protéines, mais sont plus faciles et moins chères à cultiver que les cellules de mammifères. Les vecteurs baculoviraux permettent aux chercheurs de convertir un virus d’insecte en véhicule pour délivrer la recette génétique d’une protéine.

Le processus consiste à insérer un gène pour convertir le récepteur en un type spécial de vecteur ou de support d’ADN connu sous le nom de bacmide. Le bacmide recombinant portant le gène du récepteur est ensuite utilisé pour infecter des cellules d’insectes, qui commencent à produire des baculovirus recombinants.

La protéine du récepteur pGC-A peut ensuite être extraite, purifiée et soumise à une cristallographie aux rayons X pour déterminer sa structure. Le processus est compliqué, prend du temps et est sujet à l’échec pour diverses raisons. Seul un petit nombre des nombreuses protéines membranaires existantes ont été entièrement caractérisées, ce qui fait de la caractérisation préliminaire de pGC-A une réalisation impressionnante.

Le système d’expression de cellules d’insectes offre plusieurs avantages pour l’expression des protéines, en particulier dans le cas des protéines membranaires telles que pGC-A. La technique permet aux chercheurs d’extraire plus facilement les protéines membranaires correctement repliées directement de la membrane cellulaire, par rapport à l’expression bactérienne de protéines mal repliées et non fonctionnelles communes à l’expression traditionnelle dans les bactéries Escherichia coli (E. coli).

ligne d’horizon

« Ce fut une réalisation énorme », déclare Hansen. « Les protéines membranaires ne sont pas triviales à purifier, et il a également pu obtenir la cristallisation des protéines et la diffraction des rayons X. »

Une purification plus poussée et de meilleures données de diffraction permettront à terme une caractérisation structurale au niveau atomique.

La recherche ouvre la porte à la caractérisation détaillée d’autres protéines membranaires, qui pourraient éventuellement devenir des médicaments efficaces pour contrôler l’hypertension et un large éventail d’autres conditions médicales.

« L’un des principaux objectifs est de développer des médicaments innovants basés sur l’ANP et son récepteur cible chez l’homme pour traiter l’hypertension artérielle, l’insuffisance cardiaque et l’obésité », déclare Burnett. « Le travail effectué par les équipes ASU et Mayo et publié dans Scientific Reports aide à percer le secret de la cible du récepteur et accélérera le développement de nouveaux médicaments et aidera véritablement les patients du monde entier. »

Petra Fromme, directrice du Center for Applied Structural Discovery, qui est l’auteur principal de cette étude et a été directrice de doctorat de Zhang, est enthousiasmée par l’impact élevé de ce travail.

« Les maladies métaboliques sont l’une des menaces sanitaires les plus importantes du 21e siècle, le diabète, l’hypertension artérielle et les maladies cardiaques tuant des millions de personnes chaque année – et les chiffres augmentent. Les travaux sur le récepteur pGC-A ont le potentiel de développer un médicament efficace qui réduit les symptômes sans effets secondaires graves », a-t-il déclaré.