La biologie structurale intégrée fournit de nouveaux indices pour le traitement de la mucoviscidose

Les scientifiques du St. Jude Children’s Research Hospital et de l’Université Rockefeller ont combiné leur expertise pour mieux comprendre le régulateur de la conductance transmembranaire de la fibrose kystique (CFTR). Les mutations du CFTR provoquent la fibrose kystique, une maladie mortelle incurable.

Les thérapies actuelles utilisant un médicament appelé potentialisateur peuvent améliorer les fonctions du CFTR chez certains patients ; mais le fonctionnement des potentiateurs n’est pas bien compris. Les nouvelles découvertes révèlent comment le CFTR fonctionne de manière mécaniste et comment les mutations et les potentialisateurs de la maladie affectent ces fonctions. Grâce à ces informations, les chercheurs pourraient être en mesure de concevoir des thérapies plus efficaces pour la fibrose kystique. L’étude a été publiée aujourd’hui dans Nature.

La fibrose kystique est une maladie génétique qui provoque la production de mucus trop épais et collant. Cela peut bloquer les voies respiratoires et entraîner des lésions pulmonaires ainsi que des problèmes de digestion. La maladie touche environ 35 000 personnes aux États-Unis. Le CFTR est un canal anionique, un passage qui maintient le bon équilibre des sels et des fluides à travers les membranes épithéliales et autres. Les mutations du CFTR sont à l’origine de la fibrose kystique, mais ces mutations peuvent affecter différemment la fonction du CFTR. Par conséquent, certains médicaments utilisés pour traiter la maladie ne peuvent restaurer que partiellement la fonction de formes mutantes spécifiques de CFTR.

Les structures de CFTR, précédemment capturées dans le laboratoire de Jue Chen, Ph.D., et ses collègues de l’Université Rockefeller, ont révélé deux conformations distinctes (formes). Ces images statiques ont permis aux chercheurs de voir le canal lorsqu’il est ouvert ou lorsqu’il est fermé, mais la transition entre les états n’a pas été complètement comprise.

Les changements de conformation ont donc été déduits comme étant importants pour l’ouverture et la fermeture du canal, ce qui explique les propriétés électrophysiologiques du CFTR, qui ont été analysées pendant des décennies. Ces résultats ont suscité l’intérêt de visualiser directement les transitions structurelles du CFTR en temps réel et d’examiner comment les changements conformationnels sont affectés par les mutations de la maladie et par les médicaments utilisés pour améliorer la fonction CFTR chez les patients.

“Grâce à cette collaboration, nous avons eu l’opportunité de vraiment comprendre la relation entre la structure et la fonction”, a déclaré l’auteur co-correspondant Scott Blanchard, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. “Les travaux antérieurs de notre laboratoire sur les ribosomes et les récepteurs couplés aux protéines G avaient montré que cela était possible, mais il existe très peu de protéines uniques plus pertinentes pour le traitement de la maladie que le CFTR, car les traitements de la mucoviscidose visent à améliorer les défauts de la formes mutantes de cette protéine.”

“La capacité d’effectuer des mesures biophysiques et d’obtenir ces types d’informations quantitatives est l’une des avancées de l’imagerie moléculaire unique qui ne cesse de m’étonner.”

La collaboration mène à une percée

L’expertise complémentaire des groupes de recherche a été essentielle à la réalisation de leurs découvertes. Grâce à l’électrophysiologie et aux études structurelles, l’équipe Rockefeller a pu guider le placement de sondes à molécule unique par l’équipe St. Jude. En déployant le transfert d’énergie par résonance de fluorescence d’une seule molécule (smFRET), l’équipe de St. Jude a pu fournir de nouvelles informations sur les pièces mobiles de la machinerie CFTR.

Grâce à l’intégration de la cryo-microscopie électronique, de l’électrophysiologie et du smFRET, le groupe de recherche a pu établir les liens nécessaires pour mieux comprendre le fonctionnement du CFTR.

“Il y a ici un potentiel pour aider les patients atteints de mucoviscidose en apprenant la structure et le comportement du CFTR”, a déclaré le premier auteur Jesper Levring, de l’Université Rockefeller. “En regardant ces molécules une à la fois en utilisant ces méthodes – électrophysiologie à canal unique et smFRET – nous pourrions corréler la fonction du canal avec les changements conformationnels et la relier à la biologie structurelle sous-jacente.”

Ce que les chercheurs ont découvert, c’est que CFTR présente un mécanisme de déclenchement hiérarchique. Les deux domaines de liaison aux nucléotides du CFTR se dimérisent (se combinent) avant l’ouverture du canal. Les changements conformationnels dans le canal dimérisé, liés à l’hydrolyse de l’ATP (une réaction où l’énergie est libérée), régulent la conductance du chlorure.

L’importance de cette idée mécaniste a été révélée davantage par la découverte que les médicaments potentialisateurs Ivacaftor et GLPG1837 améliorent l’activité du canal en augmentant l’ouverture des pores tandis que les domaines de liaison aux nucléotides sont dimérisés. Les mutations qui causent la mucoviscidose peuvent réduire l’efficacité de la dimérisation. Ces informations seront utiles pour éclairer la recherche de thérapies cliniques plus efficaces.

“La chose la plus satisfaisante à propos de ce travail est que nous avons répondu à une question sur le fonctionnement du CFTR qui fait l’objet de débats dans le domaine depuis de nombreuses années”, a déclaré Chen, co-auteur correspondant de l’étude.

“Chaque méthode individuelle a des limites, vous pouvez donc avoir de bonnes données mais toujours pas les réponses. En combinant les approches, nous sommes arrivés à un mécanisme unifié qui nous donne un aperçu du fonctionnement de cette molécule. Avec cette compréhension, nous pouvons ensuite tester comment les mutations ou les médicaments affectent la fonction, ce qui est en fin de compte la façon dont nous arriverons à de meilleures thérapies. »