Restaurer la fonction d’une protéine de surface cellulaire humaine dans les cellules de levure

Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) constituent le groupe de protéines de surface cellulaire le plus vaste et le plus diversifié chez l’homme. Ces récepteurs, que l’on peut considérer comme des « directeurs de trafic », transmettent des signaux de l’extérieur vers l’intérieur des cellules et sont impliqués dans de nombreux processus physiologiques.

Compte tenu de leur rôle important dans la communication cellulaire, la croissance cellulaire, les réponses immunitaires et la perception sensorielle, de nombreux médicaments ont été développés pour cibler les GPCR, pour le traitement de maladies telles que l’asthme, les allergies, la dépression, l’hypertension et les maladies cardiaques. En fait, plus de 300 médicaments liés au GPCR font actuellement l’objet d’essais cliniques, dont 36 % ciblent plus de 60 nouvelles cibles du GPCR sans médicament déjà approuvé.

De plus, les médicaments qui ciblent les GPCR représentent jusqu’à 27 % de la part de marché mondiale des médicaments thérapeutiques, avec des ventes cumulées proches de 890 milliards de dollars entre 2011 et 2015. Ainsi, toute technique susceptible d’accélérer la recherche sur les GPCR est susceptible de déclencher un un effet d’entraînement important, apportant à terme des traitements plus efficaces à des millions de personnes.

Aujourd’hui, des approches telles que la cryomicroscopie électronique, l’optogénétique, les approches informatiques et l’intelligence artificielle, les biocapteurs et les technologies sans marquage, ainsi que les technologies unicellulaires, sont explorées pour la découverte et le développement de médicaments GPCR.

Parmi elles, l’approche unicellulaire basée sur la levure est l’une des plateformes les plus utiles pour étudier les GPCR. Outre son application généralisée dans la fabrication de la bière et du pain, l’espèce de levure Saccharomyces cerevisiae est utilisée depuis longtemps comme hôte pour la recherche sur les GPCR d’origine humaine.

Bien que certains GPCR puissent être conçus pour améliorer leur stabilité et leur fonction afin de faciliter les expériences, la plupart des GPCR ne fonctionnent pas bien dans les cellules de levure. Ce problème de longue date a considérablement ralenti les progrès dans notre compréhension des GPCR et le développement de nouveaux médicaments qui les ciblent.

Dans ce contexte, une équipe de recherche de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a récemment mis au point une stratégie innovante pour restaurer l’activité de l’histamine humaine 3 (H3R) GPCR d’origine humaine chez S. cerevisiae. Leur étude, Publié dans Rapports scientifiques le 26 septembre 2023, a été dirigé par le professeur agrégé Mitsunori Shiroishi et co-écrit par Mme Ayami Watanabe et Mme Ami Nakajima, toutes de TUS.

« Le H3R est principalement exprimé dans le système nerveux. Il est impliqué dans la fonction cognitive et son inhibition est associée aux résultats thérapeutiques de diverses pathologies, telles que le TDAH, la schizophrénie, la maladie d’Alzheimer et la narcolepsie », explique le Dr Shiroishi. Grâce à des expériences préliminaires, l’équipe a montré que H3R devient non fonctionnel lorsqu’il est exprimé dans la levure.

Pour restaurer sa fonction, l’équipe de recherche a utilisé une technique appelée réaction en chaîne par polymérase sujette aux erreurs pour introduire des mutations aléatoires dans le gène H3R.

Après avoir produit une bibliothèque de mutants aléatoires de H3R, ils ont introduit des segments d’ADN modifiés dans des cellules de levure et les ont cultivés en présence d’un agoniste du H3R, un composé qui se lie au H3R et déclenche une réponse mesurable. En criblant plusieurs cultures, les chercheurs ont obtenu quatre mutants dans lesquels l’activité normale de H3R a été restaurée.

Ces mutants ont répondu exclusivement à un type de souche de levure qui héberge certaines protéines chimères G. Les mutations responsables de l’activité restaurée étaient situées à proximité des motifs de séquence d’acides aminés importants pour l’activation du GPCR.

Cette approche innovante pour étudier les GPCR pourrait avoir de profondes implications, notamment dans les domaines de la médecine et de la biologie cellulaire.

« Nos recherches pourraient aider à élucider la fonction des GPCR et pourraient même conduire au développement de médicaments ayant moins d’effets secondaires, ainsi qu’à renforcer la découverte de médicaments pour des maladies pour lesquelles il n’existe actuellement aucun traitement », a déclaré le Dr Shiroishi.

Il existe de nombreux domaines thérapeutiques dans lesquels des médicaments ciblant les GPCR sont activement développés, notamment les troubles neurologiques comme la maladie d’Alzheimer et la schizophrénie, les maladies cardiovasculaires comme l’hypertension et l’insuffisance cardiaque, divers types de cancer et les troubles métaboliques.

Une compréhension plus approfondie des variations du GPCR et de leur impact différent sur les individus pourrait également conduire à de nouvelles approches de la médecine personnalisée. L’adaptation des médicaments ciblant les GPCR à la constitution génétique d’un individu et à son profil de maladie spécifique peut grandement améliorer les résultats du traitement. En outre, les traitements génériques GPCR atteignant un grand nombre de personnes dans le monde pourraient également devenir une réalité, ce qui réduirait le fardeau des systèmes de santé.