Comprendre la structure du CFTR peut aider à concevoir des traitements plus efficaces contre 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 qui utilisent un médicament appelé modulateur peuvent améliorer les fonctions du CFTR chez certains patients ; Mais le fonctionnement des catalyseurs n’est pas bien compris. Les nouvelles découvertes révèlent comment le CFTR fonctionne de manière mécanique et comment les mutations et les moteurs de la maladie affectent ces fonctions. Grâce à ces informations, les chercheurs pourraient être en mesure de concevoir des traitements plus efficaces contre la fibrose kystique. L’étude a été publiée aujourd’hui dans nature.

La fibrose kystique est une maladie génétique qui amène les gens à produire un mucus très épais et collant. Cela peut bloquer les voies respiratoires et entraîner des lésions pulmonaires en plus de causer des problèmes de digestion. La maladie touche environ 35 000 personnes aux États-Unis. CFTR est un canal anionique, une voie qui maintient le bon équilibre des sels et des fluides à travers l’épithélium et d’autres membranes. 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 peuvent partiellement restaurer la fonction de certaines formes mutées de CFTR.

Les structures CFTR, précédemment capturées dans le laboratoire de Jue Chen, Ph.D., et ses collègues de l’Université Rockefeller, ont révélé deux formes distinctes. Ces images fixes ont permis aux chercheurs de voir quand le conduit est ouvert ou quand il est fermé, mais la transition entre les états n’a pas été entièrement comprise. Ainsi, il a été déduit que les changements conformationnels sont importants pour l’ouverture et la fermeture des canaux, compte tenu des propriétés électrophysiologiques du CFTR, qui ont été analysées pendant des décennies. Ces découvertes ont suscité l’intérêt de visualiser directement les transformations structurelles du CFTR en temps réel et d’examiner comment les changements conformationnels sont affectés par les mutations de la maladie et les médicaments utilisés pour améliorer la fonction du CFTR chez les patients.

Grâce à cette collaboration, nous avons eu l’opportunité de vraiment nous connecter à la relation entre la structure et la fonction. Des travaux antérieurs dans notre laboratoire sur les ribosomes et les récepteurs couplés aux protéines G ont montré que cela était possible, mais il existe très peu de protéines uniques plus adaptées au traitement de la maladie que le CFTR, car les thérapies de la mucoviscidose visent à améliorer les défauts des mutations. formes de cette protéine.

Scott Blanchard, PhD, co-auteur, St. Jude Department of Structural Biology

« Être capable de faire des mesures biophysiques et d’obtenir ce genre d’informations quantitatives est une avancée dans l’imagerie moléculaire unique qui ne cesse de m’étonner. »

La coopération mène à la percée

L’expertise complémentaire des groupes de recherche a été essentielle pour faire leurs découvertes. Grâce à l’électrophysiologie et aux études structurelles, l’équipe de Rockefeller a pu diriger le placement des sondes à molécule unique par l’équipe de St. Jude. En déployant le transfert d’énergie par résonance d’une seule molécule (smFRET), l’équipe de St. Jude a pu fournir de nouvelles informations sur les pièces mobiles de la machine CFTR. En intégrant la cryo-microscopie électronique, l’électrophysiologie et le smFRET, le groupe de recherche a pu cartographier les connexions 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 examinant ces molécules une par une à l’aide de ces approches – l’électrophysiologie à canal unique et le smFRET – nous pouvons corréler la fonction du canal avec les changements conformationnels et les relier à la biologie structurelle de base. »

Ce que les chercheurs ont découvert, c’est que CFTR affiche un mécanisme de porte hiérarchique. Les deux domaines de liaison aux nucléotides du CFTR se dimérisent (se combinent) avant que le canal ne s’ouvre. Les changements de conformation dans le canal 2D, 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 par la découverte que les médicaments actifs Ivacaftor et GLPG1837 améliorent l’activité des canaux en augmentant l’ouverture des pores tout en diminuant les domaines de liaison aux nucléotides. Les mutations qui causent la mucoviscidose peuvent réduire l’efficacité des dimères. 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 discussions sur le terrain depuis de nombreuses années », a déclaré Chen, co-auteur de l’étude. « Chaque méthode individuelle a des limites, vous pouvez donc avoir de bonnes données mais toujours des réponses. En combinant les méthodes, nous avons mis au point un mécanisme unifié qui nous donne un aperçu du fonctionnement de cette molécule. Avec cette compréhension, nous pouvons ensuite tester comment des mutations se produisent. » Ou les médicaments affectent la fonction, ce qui en fin de compte nous permettra d’obtenir de meilleurs traitements. »