Bien que le concept de récepteurs membranaires date de la fin du xix^e et du début du xx^e siècle, avec les travaux de Ehrlich, Langley, Alhquist et d’autres [ 1], et que l’identification d’une sous-famille de récepteurs interagissant avec des protéines liant les nucléotides guanylés (protéines G) remonte aux années 1960 [ 2], l’étude des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) demeure plus actuelle que jamais. Les RCPG, qui sont la cible de plus de 30 % des médicaments prescrits, continuent de nous révéler de nouveaux aspects de leur mode de fonctionnement, ce qui laisse présager qu’ils seront, pour de nombreuses années encore, des candidats de choix pour le développement de nouveaux médicaments, plus actifs et adaptés à de nouvelles indications cliniques.

Avec plus de 800 membres, les RCPG constituent la plus grande famille de protéines membranaires impliquées dans le transfert d’information de part et d’autre des membranes biologiques. Ils reconnaissent et traduisent l’information portée par une très grande diversité de signaux, incluant la lumière, des molécules odorantes, des ions, des acides aminés, des amines biogènes, des lipides, des peptides et des glycoprotéines. Acteurs centraux dans l’élaboration des réponses aux hormones et aux neurotransmetteurs, ils sont au cœur de processus aussi variés que la vision, l’olfaction, le goût, la croissance cellulaire, le chimiotactisme et l’entrée cellulaire de certains virus et bactéries. Il n’est donc pas étonnant qu’ils aient été, et demeurent, un sujet d’étude riche qui continue de fasciner de nombreux chercheurs. La représentation classique des RCPG est celle de protéines à sept domaines transmembranaires qui, lorsqu’elles sont liées par leurs ligands respectifs, peuvent activer une protéine G hétérotrimérique, laquelle, à son tour, module l’activité d’enzymes, de canaux, de transporteurs ou d’autres effecteurs, enclenchant ainsi une cascade de signalisation intracellulaire aboutissant à une réponse biologique. Les travaux réalisés au cours de ces dernières années, exploitant les outils de la biochimie, de la biologie moléculaire et cellulaire et, plus récemment, de la biologie structurale, ont permis d’affiner et dans certains cas de bouleverser nos idées reçues au sujet des RCPG, avec des implications importantes pour le développement de nouveaux médicaments.

Pour citer Richard Lewontin [ 3] « Il n’est pas possible de faire de la science sans utiliser un langage rempli de métaphores […] le prix à payer est une éternelle vigilance. » Une des métaphores souvent utilisée pour décrire les RCPG est celle de la clé et de la serrure : le ligand est une clé qui, en se liant au récepteur, fait passer la serrure d’une position fermée (récepteur inactif) à une position ouverte (récepteur actif). Cette image, souvent utilisée encore dans les livres et textes de références, est malheureusement assez éloignée de la réalité. La nomenclature connaît, elle aussi, ses dangers. En nommant les récepteurs à sept domaines transmembranaires « récepteurs couplés aux protéines G », nous avons de facto fixé leur mode de fonctionnement, excluant qu’ils puissent agir indépendamment des protéines G. Poussant plus loin cette forme de nomenclature un peu étroite, nous en sommes venus à identifier les récepteurs en fonction du type de protéine G qu’ils contrôlent : récepteur Gs, Gi, Gq, etc.

Contrairement à cette vision assez statique et linéaire proposée par la métaphore de la serrure et la nomenclature utilisée pour les RCPG, les travaux des dernières années ont clairement démontré que : (1) les récepteurs oscillent spontanément entre des conformations inactives et actives, et que les ligands favorisent/stabilisent ces formes actives (agonistes) ou inactives (agonistes inverses) selon leur efficacité relative [ 4, 5] ; et (2) un récepteur donné peut engager plusieurs protéines G distinctes en plus d’autres partenaires (la β-arrestine étant la mieux étudiée) qui peuvent orchestrer une signalisation indépendante des protéines G [ 6, 7]. Confirmant la diversité et la plasticité des voies de signalisation qui peuvent être engagées par un RCPG, nous savons maintenant qu’un ligand peut être un agoniste pour une voie de signalisation, tout en étant un agoniste inverse pour une autre voie engagée par le même récepteur. Ainsi, les RCPG peuvent adopter plusieurs conformations actives différentes qui présentent plus ou moins d’affinité pour diverses voies de signalisation. Ce concept, connu sous le nom de « sélectivité fonctionnelle » ou de « signalisation biaisée par le ligand » [ 8], pose de nouveaux défis pour le développement des méthodes de découverte de nouveaux médicaments qui soient adaptées à cette nouvelle réalité. Cette dimension plurielle de l’efficacité de signalisation des RCPG offre toutefois de nouvelles opportunités pour le développement de médicaments plus efficaces et ayant moins d’effets indésirables, en ciblant sélectivement les voies de signalisations importantes pour leur action thérapeutique.

La constatation que, contrairement à ce qui était généralement admis, les RCPG ne sont pas que des protéines monomériques, mais peuvent former des dimères, voire des oligomères de plus grande taille, offre aussi de nouvelles perspectives pour le développement de thérapies innovantes [ 9, 10]. En particulier, l’existence d’hétérodimères formés de sous-types de récepteurs distincts, qui acquièrent des propriétés pharmacologiques et de signalisation différentes de celles de chacun des protomères, ouvre la porte au développement de composés qui ciblent sélectivement certains hétérodimères pour des indications cliniques précises. Pour ce faire, une meilleure compréhension des déterminants moléculaires et structuraux contrôlant la sélectivité de l’hétérodimérisation sera indispensable.

Jusqu’à tout récemment, la biologie structurale était la parente pauvre de la recherche sur les RCPG. Bien que ces derniers aient été découverts il y a plus de 40 ans, il a fallu attendre le début des années 2000 pour obtenir la première structure 3D de haute résolution : celle du recepteur de la lumière, la rhodopsine [ 11]. Sept ans de plus ont été nécessaires avant que la structure du premier RCPG liant un ligand diffusible, le récepteur β2-adrénergique, ne soit révélée [ 12– 14]. Depuis, nous sommes les témoins d’une véritable explosion, et 45 structures pour 11 RCPG différents ont été publiées au cours des cinq dernières années. Ces percées, permises par des avancées technologiques importantes en ingénierie et purification des protéines membranaires de même qu’en cristallogenèse, ont révélé une diversité inattendue des modes de liaison des ligands et d’activation des récepteurs.

Une des grandes surprises réside dans l’observation que les structures obtenues pour les récepteurs liés par un agoniste, un antagoniste ou un agoniste inverse, sont très similaires et représentent des conformations inactives [ 15]. En effet, des structures actives n’ont pu être observées qu’en présence d’un agoniste et d’une protéine G (ou d’un anticorps mimant la protéine G) simultanément [ 16, 17], indiquant que le maintien d’une conformation active d’un récepteur nécessite à la fois des contraintes allostériques fournies par la liaison du ligand et de la protéine G. Cette découverte a des implications importantes dans le contexte du concept de sélectivité fonctionnelle évoqué ci-dessus. En effet, il est probable qu’une connaissance des diverses conformations actives d’un RCPG nécessitera la co-cristallisation des récepteurs avec les différents effecteurs qu’ils peuvent engager. Une telle résolution structurale des déterminants moléculaires de la sélectivité de signalisation est maintenant à portée de main et devrait faciliter la conception de ligands ciblant spécifiquement certains modes de signalisation.

Par ailleurs, la cristallisation de plusieurs RCPG sous forme de dimères a confirmé la réalité structurale de la dimérisation. La résolution de certaines de ces structures oligomériques offre une base moléculaire pouvant expliquer les régulations allostériques de l’activité d’un RCPG au sein d’un dimère. De plus, les structures des récepteurs de la chimiokine CXCR4 et des récepteurs μ- et κ-opioïdes, nouvellement résolues, révèlent des interfaces de dimérisation offrant de nouvelles cibles pour la conception de molécules pouvant moduler le processus d’oligomérisation et, ainsi, contrôler allostériquement l’activité des récepteurs [ 18– 20].

Bien que les nouveaux paradigmes mis à jour pour les RCPG puissent effrayer les plus timorés par le niveau de complexité qu’ils permettent d’imaginer, il importe de ne pas confondre complexité et complications. Il n’est pas étonnant qu’un système biologique qui est au cœur de tant de réponses importantes ait évolué vers un niveau de complexité qui permette une grande plasticité tout en maintenant une grande fidélité de communication. Pour paraphraser Darwin, il y a une certaine grandeur à envisager le fonctionnement des RCPG sous cet angle. Bien que les défis et opportunités offerts par les récentes avancées puissent paraître étourdissants, nous avons toutes les raisons de croire que les outils développés au cours des dernières années nous permettront d’exploiter de façon productive ces connaissances pour développer de nouvelles classes de médicaments qui seront plus adaptés aux nombreux besoins médicaux non comblés à ce jour.

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.