En ce qui concerne les protéines cérébrales, de petits changements peuvent faire une différence spectaculaire. Les chercheurs qui étudient les récepteurs NMDA (N-méthyl-D-Aspartate), qui sont essentiels pour l’apprentissage, la mémoire et la conscience de moment par moment, savent que même de légers changements dans leur niveau d’activité peuvent faire la différence entre la fonction normale et les troubles neurologiques graves.
Maintenant, l’université de Buffalo Researchers, dans une collaboration à long terme avec des scientifiques de l’Institut Vollum, a capturé pour la première fois et dans des photos exquises de récepteurs dans une conformation entièrement ouverte. L’article décrit également pour la première fois la séquence de changements structurels qui transforment les récepteurs du silencieux à être pleinement actif.
Publié dans Avancées scientifiquesle travail de l’équipe élargit la compréhension du fonctionnement des récepteurs NMDA et de la façon dont leur dysfonctionnement contribue à la maladie.
Gabriela Popescu, Ph.D., professeur de biochimie à la Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences de UB, est un auteur correspondant sur le journal avec Eric Gouaux, Ph.D., et Farzad Jalali-Yazdi, scientifiques du Vollum Institute de l’Oregon Health University.
Les auteurs principaux sont Jamie A. Abbott, Ph.D., chercheur scientifique au Département de biochimie d’UB, et Junhoe Kim, Ph.D., boursier postdoctoral au Vollum Institute. Beiying Liu, Ph.D., est co-auteur du Département de biochimie UB.
Popescu a passé sa carrière à étudier les propriétés biophysiques des récepteurs NMDA, qui génèrent un courant électrique en réponse à la liaison du glutamate et aident les neurones à communiquer.
Pourquoi la neurodégénérescence se produit
« Les récepteurs NMDA sont essentiels à l’activité cérébrale continue », dit-elle, « mais lorsqu’ils sont actifs de manière inappropriée, ils tuent des neurones, comme, par exemple, après une lésion cérébrale traumatique, après un accident vasculaire cérébral ou pendant les maladies neurodégénératives progressives comme la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer. »
Pour cette raison, Popescu et ses collègues se sont concentrés sur la tentative de comprendre et de suivre la séquence d’événements qui transforment les récepteurs inactifs au repos en récepteurs actifs et générateurs d’électricité.
Un élément clé de l’assemblage de cette séquence nécessite d’obtenir des images de récepteurs dans différents états fonctionnels pour identifier les pièces qui changent la position pendant l’activation, permettant la transition.
Bien que les recherches antérieures aient signalé des structures de résolution atomique pour les récepteurs à l’état de repos, Popescu affirme que les structures de récepteurs actifs et ouverts sont restés insaisissables.
Plis dans les hélices
Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM), qui implique des échantillons de congélation flash des récepteurs, puis de les sonder avec un faisceau d’électrons pour obtenir une vue 3D. Le résultat est la toute première image à haute résolution d’un récepteur NMDA ouvert stable. Contrairement aux récepteurs des pores fermés, dans lesquels les quatre structures en spirale des pores sont droites, les chercheurs ont constaté que lorsque les pores s’ouvrent, les hélices sont pliées ou pliées.
Ce n’était pas ce à quoi ils s’attendaient. « Nous pensions que le canal s’ouvrirait simplement en éloignant les quatre tiges hélicoïdales qui empêchent le flux d’ions pour élargir la bouche du pore », explique Popescu.
« Au lieu de cela, nous avons vu que les quatre tiges sont pliées vers l’extérieur et stabilisées dans cette conformation évasée par de nouveaux contacts avec des parties éloignées de la molécule. »
Chaque pli, explique-t-elle, représente une région d’intérêt pour le récepteur. « L’identité de l’acide aminé à cette position est essentielle car elle doit permettre le kinging », dit-elle. « Sans l’image, sans savoir que l’hélice doit se plier, nous ne comprendrions pas pourquoi ce résidu particulier est important. »
Les nouvelles observations aideront les chercheurs à déterminer le processus étape par étape par lequel les pores du récepteur s’ouvrent; Ils donnent également un aperçu des autres parties du récepteur peuvent également jouer un rôle. Il existe de nombreux patients, notes de Popescu, avec des mutations à point unique dans l’ADN codant pour ce récepteur. Une mutation ponctuelle est un changement dans un seul acide aminé dans la structure du récepteur.
« Les nouvelles informations nous aident à mieux comprendre ce que font ces résidus d’acides aminés, pourquoi ils sont importants et ce qui ne va pas lorsqu’ils sont modifiés », ajoute-t-elle.
Résultats de structure-fonction
Les chercheurs révèlent également le premier mécanisme de l’activation des récepteurs NMDA intégrant les preuves fonctionnelles obtenues dans le laboratoire de Popescu à partir des enregistrements d’électrophysiologie à molécule à molécule avec des preuves structurelles à partir de cryo-em à une seule particule obtenue dans le laboratoire de Co-Senior Eric Gouaux, Ph.D., scientifique principal du Vollum Institute.
« Avant cette étude, nous savions que le récepteur devait changer sa structure plusieurs fois pour passer du repos à amorcé à ouvrir », explique Popescu.
« Séparément, les études structurelles ont produit des images de récepteurs qui semblaient un peu différents, mais parce que nous ne savions pas à quoi ressemblait le dernier état ouvert, nous n’avons pas pu organiser les images dans la séquence correcte. »
Popescu est désormais en mesure de connecter les nouvelles images du récepteur avec ses résultats précédents sur la vitesse à laquelle les récepteurs changent de conformation pour terminer le cycle d’activation. Savoir comment le récepteur regarde chaque point de la séquence aide à isoler les régions jouent un rôle clé dans la transition et pourquoi et comment les médicaments se lient à ces régions, ainsi que pourquoi les mutations de ces régions provoquent une maladie.
« Le travail que mon laboratoire a accompli au cours des 20 dernières années peut nous dire comment les médicaments ou les mutations changent le courant que le glutamate provoque lorsqu’il se lie au récepteur NMDA », dit-elle.
« En fin de compte, l’intensité, la durée et la fréquence de ce courant – les minuscules signaux électriques que ces récepteurs produisent – déterminent comment les neurones communiquent et si nos pensées, nos sentiments et nos émotions reflètent la réalité d’une manière qui nous aide à survivre dans un monde complexe.
« Les nouveaux résultats nous montrent pourquoi les médicaments et les mutations changent le courant et peuvent nous orienter vers des moyens de restaurer la fonction normale. »
