La structure du régulateur de croissance cellulaire GATOR2 enfin élucidée

Une fonction importante des voies de signalisation de nos cellules est de coordonner la croissance avec des signaux environnementaux, tels que la disponibilité des nutriments dans l’environnement de la cellule. La croissance cellulaire joue un rôle important dans la fonction cellulaire normale – par exemple, la construction musculaire en réponse à l’exercice – et elle tourne également mal dans des maladies comme le cancer. Le complexe protéique GATOR2 joue un rôle important dans la détection et la transmission d’informations à la cible mammifère du complexe de rapamycine 1 (mTORC1), un assemblage de protéines qui contrôlent ensemble la croissance cellulaire en réponse aux conditions environnementales. Grâce à des complexes protéiques tels que GATOR2, mTORC1 reconnaît la teneur en nutriments de la cellule et inhibe ou favorise la croissance en conséquence. Dans un article publié le 13 juillet La nature, Kacper Rogala, postdoc au Whitehead Institute, et Max Valenstein, doctorant au Massachusetts Institute of Technology (MIT), révèlent la structure de GATOR2 et donnent un aperçu de sa fonction. Cette recherche a été menée dans le laboratoire de David Sabatini, ancien membre du Whitehead Institute.

« En biologie, la forme suit la fonction. Comprendre à quoi ressemble quelque chose peut nous en dire énormément sur la façon dont cela pourrait fonctionner », déclare Valenstein. « Nous essayons d’en apprendre le plus possible sur le complexe GATOR2. Que fait-il et comment active-t-il mTORC1 ? »

Des travaux antérieurs du laboratoire Sabatini ont montré que GATOR2 se compose de cinq sous-unités protéiques différentes. Mais personne ne comprenait s’il existait des copies multiples ou uniques, ou comment chaque copie s’emboîtait pour former le plus grand complexe protéique. « Nous avions en fait beaucoup de données très confuses », explique Valenstein. Les sous-unités GATOR2 contiennent plusieurs copies d’une structure appelée le domaine RING finger. Ces domaines RING – RING signifie « Really Interesting New Genes » – sont une structure commune qui joue de manière fiable un rôle dans la fonction liée à l’ubiquitine. L’ubiquitine est une protéine régulatrice présente dans la plupart des tissus des organismes eucaryotes (d’où son nom). En se liant à d’autres protéines, il peut altérer leur activité. Dans les premiers travaux, Valenstein s’attendait à ce que GATOR2 agisse comme une ubiquitine ligase et favorise l’ubiquitination d’autres protéines, mais expérience après expérience n’a pas réussi à montrer ce mécanisme en action.

En 2019, Rogala a rejoint Valenstein pour déterminer la structure 3D de GATOR2 à l’aide de la microscopie électronique cryogénique, ou cryo-EM. « Tout le reste était une impasse », explique Rogala. « Nous avons juste décidé, ‘d’accord’, nous devons le démonter et regarder au microscope… peut-être que cela nous donnera des indices sur la façon de déchiffrer sa fonction. ‘”

Le projet nécessitait l’extraction de GATOR2 à partir de cellules en quantité et qualité suffisantes pour être utile à l’imagerie cryo-EM, explique Valenstein. C’est un processus qui a duré environ deux ans. Pranav V. Lalgudi, étudiant diplômé du MIT, a joué un rôle important dans le projet. Lorsque les chercheurs ont finalement visualisé GATOR2 sous forme 3D, des données auparavant déroutantes ont commencé à avoir un sens. Les protéines individuelles de GATOR2 se rassemblent en croisant leurs domaines RING, formant une « poignée de main spartiate », comme deux mains serrant des avant-bras opposés. En d’autres termes, les chercheurs ont révélé que les domaines RING sont essentiels pour maintenir GATOR2 ensemble plutôt que de marquer d’autres protéines avec de l’ubiquitine, un rôle qui n’était auparavant pas documenté.

Leurs études ont montré que GATOR2 est une structure en forme de cage dans laquelle les protéines forment un cadre octogonal. Le cadre se compose de trois sous-unités : MIOS, WDR24 et WDR59, en outre pris en charge par plusieurs copies de deux sous-unités supplémentaires, SEH1L et SEC13. Ces sous-ensembles supplémentaires sont positionnés autour du cadre et renforcent l’octogone.

Alors que les domaines RING servent à maintenir ensemble le cadre octogonal, huit paires d’hélices bêta WD40 sont attachées à la structure et connectées pour fonctionner. Fidèles à leur nom, ces structures WD40 ont la forme d’hélices d’avion, avec des pièces en forme de pale pointant vers l’intérieur (bien qu’elles ne tournent pas). Les chercheurs ont également travaillé pour comprendre comment les hélices bêta interagissaient avec les complexes protéiques précédemment associés à GATOR2. Ils ont découvert qu’il existe trois classes d’hélices bêta dans GATOR2 qui remplissent des fonctions différentes. Deux interagissent avec des protéines qui enregistrent les niveaux de certains acides aminés dans la cellule.

Le troisième type d’hélice bêta interagit avec d’autres complexes protéiques impliqués dans la voie de signalisation connue sous le nom de GATOR1 et KICSTOR. GATOR1 agit comme un frein à main, arrêtant l’activité dans la voie mTOR, et GATOR2 est comme l’opérateur du frein à main, détectant les nutriments dans la cellule, puis intervenant ou tirant sur le frein.

Rogala décrit son travail publié comme le premier « épisode » d’une série. À l’avenir, Rogala et Valenstein espèrent découvrir les détails de la communication entre les sous-unités de GATOR2. Les chercheurs souhaitent également comprendre comment le cancer peut affecter les fonctions normales de GATOR2 ainsi que l’ensemble de la voie de croissance de mTOR.

En examinant la structure et la fonction de GATOR2, les chercheurs pourraient commencer à découvrir de nouvelles cibles pour les médicaments qui agissent en régulant mTOR.

« Les médicaments sont de petites molécules qui se lient dans les fentes des protéines », explique Rogala. « Tout type de travail structurel est en quelque sorte un modèle pour la découverte de médicaments. »