Un pipeline pour étudier les structures et les voies de signalisation des récepteurs de la sphingosine 1-phosphate
Summary
S1P exerce ses divers effets physiologiques à travers la sous-famille des récepteurs S1P (S1PR). Ici, un pipeline est décrit pour expliquer les structures et la fonction des S1PR.
Abstract
Les lysophospholipides (LPL) sont des lipides bioactifs qui comprennent la sphingosine 1-phosphate (S1P), l’acide lysophosphatidique, etc. S1P, un produit métabolique des sphingolipides dans la membrane cellulaire, est l’un des LPL les mieux caractérisés qui régule une variété de réponses physiologiques cellulaires via des voies de signalisation médiées par les récepteurs de la sphingosine 1-phosphate (S1PR). Cela implique que le système de signalisation S1P-S1PRs est une cible thérapeutique potentielle remarquable pour des troubles, notamment la sclérose en plaques (SEP), les maladies auto-immunes, le cancer, l’inflammation et même la COVID-19. Les S1PR, un petit sous-ensemble de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) de classe A, sont composés de cinq sous-types: S1PR1, S1PR2, S1PR3, S1PR4 et S1PR5. Le manque d’informations structurelles détaillées, cependant, entrave la découverte de médicaments ciblant les RP S1. Ici, nous avons appliqué la méthode de cryo-microscopie électronique pour résoudre la structure du complexe S1P-S1PRs et élucidé le mécanisme d’activation, la reconnaissance sélective des médicaments et le couplage des protéines G en utilisant des tests fonctionnels cellulaires. D’autres récepteurs des lysophospholipides (LPLR) et RCPG peuvent également être étudiés en utilisant cette stratégie.
Introduction
La sphingosine-1-phosphate (S1P), un produit métabolique des sphingolipides dans la membrane cellulaire, est une molécule de signalisation lysophosphatique omniprésente qui implique diverses activités biologiques, y compris le trafic de lymphocytes, le développement vasculaire, l’intégrité endothéliale et la fréquence cardiaque 1,2,3. Le S1P exerce ses divers effets physiologiques par l’intermédiaire de cinq sous-types de récepteurs S1P (S1PRs 1-5); Les S1PR se trouvent dans une variété de tissus et présentent des préférences uniques pour les protéines G en aval 4,5. S1PR1 est principalement couplé à la protéine Gi, qui inhibe par la suite la production d’AMPc; S1PR2 et S1PR3 sont couplés avec Gi, Gq et G12/13, et S1PR4 et S1PR5 transduisent le signal via Gi et G12/136.
La signalisation S1P-S1PR est une cible thérapeutique essentielle pour de multiples maladies, notamment les maladies auto-immunes7, l’inflammation8, le cancer9 et même la COVID-1910. En 2010, le fingolimod (FTY720) a été homologué en tant que médicament de première classe ciblant les RP S1 pour traiter la sclérose en plaques (SEP)11. Cependant, il est capable de se lier à tous les S1PR sauf S1PR2, tandis que la liaison non spécifique à S1PR3 entraîne un œdème du cortex cérébral, une constriction vasculaire et bronchique et une fuite épithélialepulmonaire 12. Comme stratégie alternative pour augmenter la sélectivité thérapeutique, des ligands spécifiques au sous-type pour le récepteur ont été produits. Le siponimod (BAF312) a été approuvé en 2019 pour le traitement de la SEP en rechute13; il cible efficacement S1PR1 et S1PR5, alors qu’il n’a aucune affinité pour S1PR3, présentant moins d’effets secondaires dans la pratique clinique14. En 2020, la Food and Drug Administration des États-Unis a autorisé l’ozanimod pour le traitement de la SEP15. Il a été rapporté que l’ozanimod détient une sélectivité 25 fois plus grande pour S1PR1 que pour S1PR516. Notamment, dans le contexte de la pandémie actuelle de COVID-19, il a été découvert que des médicaments agonistes ciblant les RP S1 peuvent être utilisés pour traiter la COVID-19 en utilisant des techniques de thérapie immunomodulatrice17. En comparaison avec le fingolimod, l’ozanimod a montré sa supériorité dans la réduction des symptômes chez les patients atteints de COVID-19 et fait actuellement l’objet d’essais cliniques10. Comprendre la base structurelle et la fonction des RP S1 jette des bases importantes pour le développement d’un médicament qui cible sélectivement les PRS11 18.
De nombreuses techniques sont utilisées pour étudier l’information structurelle des biomacromolécules, y compris la cristallographie aux rayons X, la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la microscopie électronique (EM). En mars 2022, plus de 180 000 structures ont été déposées sur la banque de données sur les protéines (PDB), et la plupart d’entre elles ont été résolues par cristallographie aux rayons X. Cependant, avec la première structure de résolution quasi atomique de TPRV1 (résolution de 3,4 Å) rapportée par Yifan Cheng et David Julius en 2013 19, la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) est devenue une technique courante pour les structures protéiques, et le nombre total de structures EM PDB était supérieur à10 000. Les domaines de percée critiques sont le développement de nouvelles caméras pour l’imagerie connues sous le nom de caméras de détection directe d’électrons et de nouveaux algorithmes de traitement d’image. Cryo-EM a révolutionné la biologie des structures et la découverte de médicaments basés sur la structure au cours de la dernière décennie20. Comme comprendre comment les complexes macromoléculaires remplissent leurs rôles complexes dans la cellule vivante est un thème central en sciences biologiques, la cryo-EM a le potentiel de révéler des conformations de complexes moléculaires dynamiques, en particulier pour les protéines transmembranaires21. Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande superfamille de protéines transmembranaires et les cibles de plus de 30 % des produits pharmaceutiques actuellement commercialisés22. Le développement de la cryo-EM a contribué à une explosion de structures à haute résolution de complexes protéiques GPCR-G, permettant la détermination structurelle de cibles « réfractaires » qui ne sont toujours pas accessibles à l’analyse cristallographique aux rayons X dans la conception de médicaments23. Par conséquent, l’application cryo-EM offre une chance de déterminer la structure tridimensionnelle des RCPG dans des conditions quasi natives à une résolution atomique proche de24. Les progrès de la cryo-EM permettent de visualiser les fondements mécanistes de la stimulation ou de l’inhibition des RCPG, et d’autres avantages dans la découverte de nouveaux sites de liaison pour la création de médicaments ciblant les RCPG25.
En nous appuyant sur les énormes progrès de la technologie cryo-EM, nous avons identifié des structures de complexes de signalisation agonisés S1PR1-, S1PR3- et S1PR5-Gi récemment26,27. Chez l’homme, les S1PR se trouvent dans divers tissus et présentent des préférences uniques pour les protéines G en aval 4,5. S1PR1 est principalement couplé à la protéine Gi, qui inhibe par la suite la production d’adénosine monophosphate 3′,5′-cyclique (AMPc). S1PR3 et S1PR5 sont également capables de se coupler avec Gi 6,28. Étant donné que l’activation des récepteurs gicouplés diminue la production d’AMPc29, un test d’inhibition de l’AMPc de Gi a été introduit pour mesurer les effets d’inhibition de l’AMPc pour capturer les altérations fonctionnelles26,27. Utilisant une version mutante de Photinus pyralis luciferase dans laquelle une fraction protéique de liaison à l’AMPc a été insérée, ce test d’AMPc offre une méthode simple et fiable pour surveiller l’activité des RCPG par des changements dans la concentration intracellulaire d’AMPc30. Il s’agit d’un essai fonctionnel sensible et non radioactif qui peut être appliqué pour surveiller la signalisation en aval en temps réel d’un large éventail de RCPG à des fins de découverte de médicaments31.
Ici, un résumé est fourni des méthodes critiques pour résoudre les modes d’activation et de reconnaissance des médicaments des S1PR, y compris principalement des manipulations cryo-EM et un test d’AMPc d’inhibition de Gi. Cet article vise à fournir des conseils expérimentaux complets pour d’autres explorations des structures et des fonctions des RCPG.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole décrit un pipeline primaire pour déterminer les structures des S1PR par cryo-EM et mesurer le pouvoir d’activation des S1PR par test d’inhibition de l’AMPc médié par Gi. Certaines étapes sont cruciales pour le succès de l’expérience.
Pour purifier le complexe S1PRs-Gi, il convient d’accorder plus d’attention à la qualité du virus et à la santé des cellules sf9 . L’expression du récepteur est considérablement réduite dans les cellules sf9</e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les données du complexe S1PRs-Gi ont été récoltées au West China Cryo-EM Center de l’Université du Sichuan et au Cryo-EM Center de la Southern University of Science and Technology (SUSTech) et traitées au Duyu High-Performance Computing Center de l’Université du Sichuan. Ce travail a été soutenu par la Natural Science Foundation of China (32100965 à L.C., 32100988 à W.Y., 31972916 à Z.S.) et le Fonds de recherche postdoctorale à temps plein de l’Université du Sichuan (2021SCU12003 à L.C.)
Materials
| 0.05% trypsin-EDTA | GIBCO | Cat# 25300054 | |
| 0.22 µM filter | Thermo Fisher Scientific | Cat# 42213-PS | |
| 100 kDa cut-off concentrator | Thermo Fisher Scientific | Cat# 88533 | |
| 6-well plate | Corning | Cat# 43016 | |
| 96-well plate | Corning | Cat# 3917 | |
| Aprotinin | Sigma-Aldrich | Cat# 9087-70-1 | |
| Apyrase | NEB | Cat# M0398S | |
| Baculovirus transfection reagent | Thermo Fisher Scientific | Cat# 10362100 | For the preparation of P0 baculovirus |
| Benzamidine | Sigma-Aldrich | Cat# B6506 | |
| CHO-K1 | ATCC | N/A | |
| CHS | Sigma-Aldrich | Cat# C6512 | |
| CryoSPARC | Punjani, A., et al.,2017 | https://cryosparc.com/ | |
| DH5α competent E.coli | Thermo Fisher Scientific | Cat# EC0112 | |
| D-Luciferin-Potassium Salt | Sigma- Aldrich | Cat# 50227 | |
| DMSO | Sigma- Aldrich | Cat# D2438 | |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | Cat# S311-500 | |
| ESF921 cell culture medium | Expression Systems | Cat# 96-001 | |
| Excel | microsoft | N/A | |
| F12 medium | Invitrogen | Cat# 11765 | |
| FBS | Cell Box | Cat# SAG-01U-02 | |
| Flag resin | Sigma- Aldrich | Cat# A4596 | |
| Forskolin | APExBIO | Cat# B1421 | |
| Gctf | Zhang, 2016 | https://www.mrc-lmb.cam.ac.uk/kzhang/Gctf/ | |
| GDN | Anatrace | Cat# GDN101 | |
| Gel filtration column | GE healthcare | Cat# 28990944 | |
| Gen5 3.11 | BIO-TEK | N/A | |
| Gentamicin | Solarbio | Cat# L1312 | |
| GloSensor cAMP assay kit | Promega | Cat# E1291 | Gi-inhibition cAMP assay kit |
| GloSensor plasmid | Promega | Cat# E2301 | Sensor plasmid |
| Grace’s medium | GIBCO | Cat# 11595030 | |
| GraphPad Prism 8 | Graphpad | N/A | |
| HBSS | Thermo Fisher Scientific | Cat# 88284 | |
| HEPES | Sigma- Aldrich | Cat# H4034 | |
| jetPRIME Reagent | Polyplus Transfection | Cat# 114-15 | transfection reagent |
| Janamycin | Solarbio | Cat# K1030 | |
| LB medium | Invitrogen | Cat# 12780052 | |
| Leupeptin | Sigma-Aldrich | Cat# L2884 | |
| LMNG | Anatrace | Cat# NG310 | |
| MotionCor2 | (Zheng et al., 2017) | https://emcore.ucsf.edu/ucsf-software | |
| NanoCab | Thermo Fisher Scientific | Cat# 1121822 | |
| PBS | Invitrogen | Cat# 14190-144 | |
| pcDNA3.1-HA-FLAG-S1PRs | GenScript | N/A | |
| pFastBac1-Gαi | GenScript | N/A | |
| pFastBac1-HA-FLAG-T4L-S1PRs-His10 | GenScript | N/A | |
| pFastBacdual-Gβ1γ2 | GenScript | N/A | |
| PureLink HiPure Plasmid Miniprep Kit | Invitrogen | Cat# K210003 | For the preparation of plasmids and P0 baculovirus |
| Q5 site-Directed Mutagenesis kit | NEB | Cat# E0554S | For the preparation of plasmids |
| Quantifoil | Quantifoil | Cat# 251448 | |
| RELION-3.1 | (Zivanov et al., 2018) | https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/relion | |
| S1PRs cDNA | addgene | N/A | |
| scFv16 | Invitrogen | Cat# 703976 | |
| Sf9 | Expression Systems | N/A | |
| Siponimod | Selleck | Cat# S7179 | |
| sodium cholate | Sigma-Aldrich | Cat# C1254 | |
| Synergy H1 microplate reader | BIO-TEK | N/A | |
| Synthetic T4L DNA (sequence) | N/A | N/A | Aacatcttcgagatgctgcgcatcgacgaagg cctgcgtctcaagatttacaagaataccgaagg ttattacacgattggcatcggccacctcctgaca aagagcccatcactcaacgctgccaagtctga actggacaaagccattggtcgcaacaccaac ggtgtcattacaaaggacgaggcggagaaac tcttcaaccaagatgtagatgcggctgtccgtgg catcctgcgtaatgccaagttgaagcccgtgt atgactcccttgatgctgttcgccgtgcagcctt gatcaacatggttttccaaatgggtgagaccgg agtggctggttttacgaactccctgcgcatgctcc agcagaagcgctgggacgaggccgcagtga atttggctaaatctcgctggtacaatcagacacc taaccgtgccaagcgtgtcatcactaccttccg tactggaacttgggacgcttac |
| TCEP | Thermo Fisher Scientific | Cat# 77720 | |
| Tetracycline | Solarbio | Cat# T8180 | |
| Vitrobot Mark IV | Thermo Fisher Scientific | N/A |
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