Selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Weill Cornell Medicine, deux molécules très similaires avec des rôles de signalisation essentiels mais souvent opposés dans la plupart des formes de vie exercent leurs effets distincts par des différences subtiles dans leurs liaisons à leurs partenaires de signalisation.
Dans l’étude, publiée le 27 mars dans Nature Biologie structurale et moléculaireles chercheurs ont utilisé des techniques de mesure extrêmement sensibles pour révéler au niveau de la molécule unique comment les molécules de signalisation cAMP et cGMP se lient à un canal ionique de la famille des canaux du stimulateur cardiaque, l’un des principaux types de protéines dont ils régulent les activités.
Les canaux ioniques sont des caractéristiques communes des membranes cellulaires et contrôlent les fonctions cellulaires de base en permettant au calcium, au sodium, au potassium et à d’autres éléments chargés appelés ions d’entrer et de sortir des cellules. De nombreux canaux ioniques peuvent se lier à la fois à l’AMPc et au GMPc tout en étant effectivement ouverts par un seul d’entre eux. La façon précise dont les deux molécules exercent leurs effets différents sur l’activité des canaux ioniques était un mystère.
L’étude détaille comment l’AMPc/GMPc se lie aux canaux ioniques et fait progresser la compréhension d’un aspect fondamental de la biologie cellulaire. Ces découvertes pourraient éventuellement inspirer de nouveaux traitements pour les troubles impliquant des dysfonctionnements des canaux ioniques.
« Nous avons trouvé des différences claires dans l’interaction et la force de liaison de ces deux molécules aux canaux ioniques, ce qui, selon nous, explique pourquoi l’une peut ouvrir le canal et l’autre non », a déclaré l’auteur principal de l’étude, le Dr Simon Scheuring, professeur de physiologie et biophysique en anesthésiologie à Weill Cornell Medicine.
L’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) et le monophosphate de guanosine cyclique (cGMP) sont appelés nucléotides cycliques : « cycliques » parce que leurs structures chimiques contiennent des motifs cycliques ou cycliques, et « nucléotides » parce qu’ils font partie de la même famille de molécules que la construction nucléotidique. blocs A et G de l’ADN. Ils semblent avoir évolué en tant que commutateurs polyvalents capables de réguler l’activité d’un large éventail de cibles protéiques différentes.
Souvent, un seul d’entre eux, cAMP ou cGMP, est l’activateur, tandis que l’autre n’agit que peu ou rien directement sur la cible mais peut la forcer à un état inactif en se liant au même site, ainsi la compétition entre les deux molécules commute les canaux allumé et éteint.
Les protéines régulées par l’AMPc/GMPc comprennent une large classe de canaux ioniques appelés canaux ioniques nucléotidiques cycliques (CNG). Les canaux CNG jouent un rôle important dans le système nerveux, y compris dans les neurones sensoriels qui assurent la médiation de l’odorat et de la vision, et dans les cellules du stimulateur cardiaque qui régissent le rythme cardiaque.
Le Dr Scheuring, qui a aidé à lancer l’utilisation d’une technique de mesure sensible appelée microscopie à force atomique (AFM), et le Dr Crina Nimigean, expert en canaux ioniques et professeur de physiologie et de biophysique en anesthésiologie à Weill Cornell Medicine, ont déjà fait des progrès considérables dans la compréhension de la manière dont les cAMP/cGMP régulent les canaux CNG. Dans un 2018 papierpar exemple, ils ont utilisé l’AFM à grande vitesse pour montrer comment un canal CNG bactérien, SthK, change de conformation lorsqu’il est lié par l’AMPc d’ouverture de canal ou le cGMP efficace de fermeture de canal.
Dans la nouvelle étude, ils se sont à nouveau associés et ont également été rejoints par un expert en modélisation de la dynamique moléculaire, le Dr Helmut Grubmüller de l’Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires en Allemagne. Cette fois, leur technique principale était une méthode de détection de force liée à l’AFM appelée spectroscopie de force à molécule unique AFM, qui est suffisamment sensible pour mesurer la force de liaison d’une seule molécule d’AMPc ou de GMPc à son site de liaison sur le canal ionique. Avec cela, et avec l’aide de la modélisation informatique, ils ont quantifié comment l’AMPc et le GMPc diffèrent dans leurs forces et leur profondeur de liaison au même site de liaison sur SthK, via des interactions avec différents groupes d’atomes au sein du site de liaison.
« L’AMP cyclique peut accéder à un état plus fortement lié, c’est-à-dire qu’il reste plus longtemps dans son site de liaison sur le canal ionique, par rapport au cGMP, ce qui suggère que cet état profondément lié est la clé de l’activation du canal », a déclaré le premier auteur de l’étude, le Dr Yangang Pan, chercheur postdoctoral au laboratoire Scheuring.
Le canal SthK n’est qu’un modèle pour les canaux CNG de mammifères, et les chercheurs prévoient de futures études avec des canaux CNG de mammifères. Mais ils pensent que leurs découvertes sur SthK éclairent déjà le mécanisme fondamental du fonctionnement de l’AMPc et du GMPc en tant que régulateurs dans leurs nombreux rôles tout au long de la biologie.
« Les sites de liaison pour l’AMPc/GMPc se trouvent non seulement sur les canaux ioniques, mais également sur les enzymes de signalisation, les facteurs de transcription et d’autres protéines », a déclaré le Dr Nimigean. « Nous soupçonnons que dans tous les cas, la nature a réglé la façon dont ces protéines reconnaissent l’AMPc/GMPc, conformément aux fonctions de ces protéines. »
Plus d’information:
Yangang Pan et al, Discrimination entre les nucléotides cycliques dans un canal ionique nucléotidique cyclique, Nature Biologie structurale et moléculaire (2023). DOI : 10.1038/s41594-023-00955-3