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Les scientifiques ralentissent les protéines cérébrales à action rapide pour capturer des images

Les scientifiques ralentissent les protéines cérébrales à action rapide pour capturer des images

2024-06-17 19:31:34

reconstruction cryoEM du récepteur kaïnate avec des molécules stabilisatrices ConA, qui ont fonctionné avec des molécules BPAM (non visibles) pour maintenir le canal central du récepteur ouvert suffisamment longtemps pour l’imagerie. Crédit : laboratoire Sobolevsky.

De nouvelles images révolutionnaires de l’une des protéines du cerveau les plus rapides fournissent des indices cruciaux qui pourraient conduire au développement de thérapies ciblées pour traiter l’épilepsie et d’autres troubles cérébraux. Les résultats sont publié dans la revue Nature.

Les mouvements ultra-rapides du récepteur kaïnate du cerveau sont indispensables à la communication neurone à neurone, mais créent un dilemme pour les biologistes structurels qui tentent de capturer des images du récepteur en action.

Lorsqu’il est mis en action, un récepteur kaïnate intégré à la surface d’un neurone ouvre son canal ionique, puis le ferme en quelques millisecondes.

“C’est le problème clé des biologistes structurels : il faut congeler ces molécules quelques instants avant la fermeture du canal”, explique Alexander Sobolevsky, professeur agrégé de biochimie et de biophysique moléculaire au Vagelos College of Physicians and Surgeons de l’Université Columbia, qui a dirigé l’équipe qui a obtenu l’étude. de nouvelles images.

“Mais il faut environ 30 secondes pour geler une molécule, et c’est tout simplement trop lent.”

Ce n’est pas que les biologistes structuralistes – les scientifiques qui obtiennent des images et construisent des modèles des molécules de la vie – n’ont pas essayé.

Le dysfonctionnement du récepteur kaïnate est impliqué dans l’épilepsie et a été impliqué dans de nombreux autres troubles cérébraux, notamment la dépression, l’anxiété et l’autisme. Il s’agit d’une cible souhaitable pour les développeurs de médicaments, mais seuls quelques médicaments approuvés ciblent le récepteur en toute sécurité.

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“Tout le monde essaie d’obtenir des images du récepteur en action afin que nous puissions comprendre son fonctionnement et concevoir des médicaments pour le contrôler”, explique Sobolevsky.

Un piston robotique a réduit le temps nécessaire pour geler les molécules et a aidé à capturer le récepteur kaïnate dans son état ouvert. Crédit : laboratoire Sobolevsky

Succès avec deux innovations

“La capture d’images du récepteur actif était un problème scientifique de longue date que nous essayions de résoudre”, explique Shanti Pal Gangwar, chercheur associé au laboratoire Sobolevsky. La durée pendant laquelle le canal reste ouvert pendant l’activation, quelques millisecondes, est trop courte pour effectuer une congélation conventionnelle du récepteur pour la cryo-microscopie électronique (cryo-EM), la technique de biologie structurale utilisée par le laboratoire de Sobolevsky pour imager les molécules de la vie.

Pour obtenir des images du récepteur en action, l’équipe Sobolevsky a développé deux astuces différentes qui ralentissent la fermeture des canaux et accélèrent le processus de congélation.

Tout d’abord, l’équipe a recherché des molécules qui adhèrent au récepteur et le maintiennent ouvert. Ils ont trouvé deux de ces molécules : le BPAM et la lectine Concanavaline A. La petite molécule ressemblant à un médicament, le BPAM, a prolongé l’ouverture du canal de quelques centaines de millisecondes, mais le délai était encore insuffisant pour capturer le canal dans un état ouvert. Ce n’est qu’après l’ajout de lectine, une protéine qui se lie aux sucres décorant les glycoprotéines, que le canal est resté ouvert pendant plusieurs secondes.

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Les enregistrements électrophysiologiques étaient essentiels pour déterminer le timing. “Grâce à ces enregistrements, j’ai découvert que le BPAM ou la lectine seule étaient incapables de maintenir le canal ouvert assez longtemps”, explique Maria Yelshanskaya, chercheuse associée au laboratoire Sobolevsky et experte en électrophysiologie.

“Quand j’ai vu l’effet synergique du BPAM et de la lectine ensemble, c’était comme un moment Eurêka pour nous.”

Plusieurs secondes étaient encore trop rapides pour la congélation cryo-EM conventionnelle, qui prend environ 30 secondes pour plonger l’échantillon dans de l’éthane liquide et le préparer pour l’imagerie. Kirill Nadezhdin, chercheur postdoctoral au laboratoire Sobolevsky, a donc conçu un piston robotique pour immerger l’échantillon en moins de 3 secondes, piégeant les récepteurs (liés au BPAM et à la lectine) dans un état ouvert.

Avec le piston robotique et les stabilisateurs moléculaires, l’équipe de Sobolevsky a capturé des images du récepteur kaïnate dans diverses configurations ouvertes.

“Les deux innovations étaient nécessaires”, explique Sobolevsky. “Nous n’aurions pas pu capturer les états ouverts du récepteur avec l’un ou l’autre.”

Les images fournissent des indices sur de nouveaux médicaments

Les images du récepteur ouvert du kaïnate fournissent des informations cruciales aux développeurs de médicaments.

Certains médicaments, les bloqueurs des canaux ioniques, agissent comme des bouchons dans des bouteilles de vin et bouchent les canaux ouverts. “Vous avez besoin de la structure d’un canal ouvert pour créer un médicament qui s’adapte parfaitement atome à atome”, explique Sobolevsky.

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Ouverture du récepteur kainate. Les modèles du récepteur kaïnate montrent comment le glutamate se lie à l’état fermé (à gauche) et provoque des changements conformationnels qui ouvrent le canal (à droite). Crédit : laboratoire Sobolevsky.

Les images montrent également comment le pérampanel, un médicament contre l’épilepsie qui cible les récepteurs kaïnates, pourrait être optimisé pour cibler des versions spécifiques de récepteurs kaïnates et fournir des médicaments plus précis aux patients. Déjà, les collaborateurs utilisent les images du laboratoire de Sobolevsky pour explorer, grâce à la modélisation informatique, les modifications possibles du médicament.

Les méthodes développées par l’équipe Sobolevsky devraient aider d’autres chercheurs à obtenir davantage d’images de récepteurs kaïnate ouverts et d’autres types de molécules qui fonctionnent rapidement.

“Plus nous avons d’images, meilleurs seront les modèles et, espérons-le, meilleurs seront nos médicaments”, déclare Sobolevsky.

Plus d’information:
Shanti Pal Gangwar et al, Ouverture et mécanisme de déclenchement du canal du récepteur Kainate, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07475-0

Fourni par l’Université de Columbia

Citation: Des scientifiques ralentissent les protéines cérébrales à action rapide pour capturer des images (17 juin 2024) récupéré le 17 juin 2024 sur

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