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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 23, Numéro 8-9, Août-Septembre 2007
Page(s) 746 - 750
Section M/S revues
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/20072389746
Publié en ligne 15 août 2007

© 2007 médecine/sciences - Inserm / SRMS

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont des protéines à 7 domaines transmembranaires (7TM) capables de reconnaître un large spectre de stimulus aussi différents que la lumière, les odeurs, les molécules du goût, les hormones ou les neurotransmetteurs. De cette manière, leur rôle consiste à transmettre les informations extérieures à la cellule vers l’environnement intracellulaire en déclenchant différentes voies de signalisation. Le séquençage des génomes de différents organismes a permis d’une part, d’établir la représentativité des RCPG et, d’autre part, de classer ces récepteurs dans différentes familles sur la base de leur homologie de séquence. Chez les vertébrés, cette famille contient 750 à 1 000 membres et représente ainsi la plus grande famille de gènes (3-4 % du génome humain). On estime qu’il existe plus d’un millier de gènes codant pour des RCPG chez Caenorhabditis elegans et une centaine chez Drosophila melanogaster [1, 2]. Chez l’homme, l’analyse du génome a permis de recenser environ 750 RCPG, dont 400 olfactifs et gustatifs, 224 pour lesquels un ligand est connu, et 143 orphelins dont le ligand est inconnu. Cette classe de protéines contrôle de nombreux processus physiologiques dont la neurotransmission, le métabolisme cellulaire, ainsi que les réponses inflammatoires et immunitaires. Son implication dans de nombreuses pathologies comme les maladies cardiovasculaires, les cancers ou les pathologies d’étiologie virale (Sida), en fait la cible d’environ 50 % des drogues couramment prescrites aujourd’hui [3]. L’approche traditionnelle pour la conception de drogues consiste à mimer ou inhiber l’action d’un ligand connu sur son récepteur cible. Ces derniers présentent un intérêt particulier pour les entreprises pharmaceutiques car ils constituent autant de cibles potentielles pour la découverte de nouvelles drogues.

Aujourd’hui, il s’avère que des RCPG sont capables de former des homo- et des hétérodimères. En effet, plusieurs études menées à partir de cellules modèles ont montré que des RCPG sont capables de s’assembler entre eux, formant ainsi des homodimères mais aussi des hétérodimères aux propriétés différentes de celles de chacun des deux protomères [46]. Ces découvertes sont d’autant plus intéressantes qu’elles ont été depuis validées dans des tissus exprimant les récepteurs de façon endogène. De plus, quelques études ont décrit l’implication de la dimérisation dans des aspects de la biologie des récepteurs comme leur biosynthèse, leur maturation, leur activation et leur régulation [7]. L’implication de la dimérisation dans des processus physiologiques comme la croissance cellulaire, ou physiopathologiques comme la vitréorétinopathie1, la pré-éclampsie, a également été rapportée [8]. Ce nouveau champ de recherche concernant les processus de dimérisation ouvre donc de nouvelles perspectives thérapeutiques. Or, les exemples connus de dimérisation des RCPG concernent des récepteurs dont le ligand et la fonction sont connus. Cependant, il s’avère aujourd’hui que les récepteurs orphelins à 7TM peuvent aussi former des hétérodimères avec des RCPG ayant un ligand connu et moduler ainsi leur fonction [9]. À cet égard, ce concept, qui est illustré par l’abondance d’exemples d’hétérodimérisation de plusieurs récepteurs nucléaires orphelins [1012], peut être élargi à l’ensemble des RCPG orphelins et stimuler ainsi de nouvelles stratégies de recherche pour la fonction de ces récepteurs.

La « désorphelinisation » des RCPG : état des lieux

Le séquençage du génome humain et de différents organismes nous a permis d’une part, d’estimer le nombre total de RCPG et, d’autre part, de classer ces récepteurs [13]. Les récepteurs orphelins sont nommés ainsi car aucun ligand n’a été identifié pour eux. Ils sont apparentés selon leur homologie de séquence à des familles comprenant des RCPG dont le ligand est connu, ou ils peuvent constituer des familles propres. Cette organisation peut avoir une valeur prédictive en terme d’identification de ligand pour certains RCPG orphelins. Par exemple, le récepteur orphelin GPR19 pourrait lier un ligand de nature peptidique puisqu’il est apparenté à d’autres récepteurs activés par des peptides [14]. D’autres récepteurs, comme GPR21 et GPR52, pourraient être activés par des amines, puisqu’ils appartiennent phylogénétiquement à un groupe de récepteurs liant ce type de neurotransmetteur [15, 16]. Ce classement a permis de développer l’approche de pharmacologie inverse qui consiste à tester une multitude de ligands potentiels sur un récepteur cible.

Suivant cette approche classique de pharmacologie inverse, les premières « désorphelinisations » de RCPG ont débuté en 1988 par les récepteurs 5HT1A de la sérotonine [17] et D2 [18] de la dopamine et ont été suivies par beaucoup d’autres. Dans les années 1990, le nombre de molécules disponibles était largement supérieur à celui des récepteurs orphelins. Aujourd’hui, nous sommes dans la situation inverse. Le nombre de récepteurs orphelins est très supérieur au nombre de ligands découverts ayant une fonction sans récepteur connu [19]. La vitesse de « désorphelinisation » fut de 10 à 12 récepteurs par an ces dernières années (Figure 1). Or, depuis 2004, ce processus s’est ralenti considérablement avec la « désorphelinisation » d’uniquement 4 récepteurs RCPG par an [20]. Les stratégies classiques utilisées pour identifier les ligands semblent avoir atteint leurs limites et de nouvelles stratégies doivent être mises en place.

thumbnail Figure 1.

Évolution du processus de « désorphelinisation » des RCPG depuis l’an 2000. MrgD et MrgX3 : Mas related gene D et X3 ; GPR : G protein coupled receptor ; CCR6 : chemokine CC motif receptor 6 ; RDC1 : chemokine orphan receptor 1 (CMKOR1) ; GPRC6A : G-protein-coupled receptor family C6A ; ChemR23 : chemerin receptor 23 (adapté d’après [20]).

L’hétérodimérisation des RCPG orphelins : le moyen de communiquer

Lorsque l’on analyse leur évolution chez différentes espèces, l’on s’aperçoit qu’un certain nombre de RCPG orphelins à 7TM sont conservés. C’est le cas du récepteur métabotropique du glutamate GABAB, conservé de C. elegans à l’homme [21, 22]. Chez l’homme, GABAB reste un cas modèle du phénomène de dimérisation car celui-ci est nécessaire au fonctionnement du récepteur. Le récepteur est formé de deux sous-unités, GABAB1 et GABAB2 [2325]. En raison de la présence d’un motif de rétention au niveau de sa partie carboxy-terminale, la sous-unité GABAB1 est piégée dans le réticulum endoplasmique (RE). En revanche, la sous-unité GABAB2 est correctement exprimée à la surface, mais elle est en revanche incapable de lier le ligand et donc de déclencher l’activation des voies de signalisation intracellulaires. L’hétérodimérisation des deux sous-unités dans le RE masque le signal de rétention sur GABAB1 et favorise ainsi l’expression de l’hétérodimère à la surface cellulaire [26, 27]. Une fois le dimère exprimé à la surface, GABAB1 peut lier le ligand et GABAB2 peut transduire l’effet du ligand en couplage avec les protéines G. La sous-unité GABAB2 possédant un domaine de liaison semblable à GABAB1, mais qui est incapable de lier le ligand, peut être considérée comme un récepteur orphelin à 7TM [28] (Figure 2). Ce mécanisme d’hétérodimérisation semble être conservé au cours de l’évolution puisqu’une étude réalisée chez la drosophile a confirmé le caractère obligatoire de la dimérisation pour la fonctionnalité des récepteurs D-GABAB1 et D-GABAB2 [29].

thumbnail Figure 2

Les différents partenaires d’hétérodimérisation des récepteurs orphelins à 7TM. Les récepteurs orphelins à 7 domaines transmembranaires (7TM) sont indiqués en rouge. Les abréviations N-ter et C-ter signifient extrémité amino (N)-terminale et carboxy-terminale. GABAB1 or GABAB2 : metabotropic γ-aminobutyric acid (GABA) B receptor 1 or 2 ; DOR 22a, 43a, 83b : Drosophila odorant receptors 22a, 43a, 83b ; T1R : taste receptors ; MrgD or MrgE, Mas related gene D or E ; MT1 : melatonin receptor ; GPR50, G protein coupled receptor 50 ; ORF74 : Herpesvirus 8-encoded receptor ; UL33 : human cytomegalovirus chemokine receptor-like protein ; EBI2 : Epstein-Barr virus-induced receptor 2.

D’autres études réalisées sur les récepteurs gustatifs T1R ont démontré l’importance de l’hétérodimérisation dans la détection des substances sucrées ou acides. La fonction des récepteurs T1R1 et T1R2 est restée méconnue jusqu’à la découverte de leur partenaire, le récepteur T1R3 qui ne fixe aucun ligand [30, 31] (Figure 2). Selon le partenaire d’hétérodimérisation du récepteur T1R3, l’hétérodimère reconnaît les molécules sucrées (T1R2/T1R3) ou détecte les substances amères comme le glutamate (T1R1/T1R3) [30, 32]. Ces résultats soulignent l’importance du récepteur T1R3 dans la physiologie de ces récepteurs sensoriels.

DOR83b est un autre récepteur orphelin à 7TM très conservé qui permet à DOR22a et DOR43a de s’exprimer correctement à la surface des neurones olfactifs par formation de complexes hétérodimériques [33, 34] (Figure 2). Une originalité supplémentaire de ces récepteurs repose sur leur topologie inversée par rapport à celle des aux autres protéines à 7TM (l’extrémité amino-terminale orientée vers l’intérieur de la cellule et l’extrémité carboxy-terminale vers l’extérieur). Smoothened (Smo) est encore un autre récepteur orphelin à 7TM dont l’activité est régulée par l’hétérodimérisation [35]. En effet, l’activité constitutive de Smo est contrôlée par Patched (Ptch) une protéine non pas à 7TM mais à 12TM, ce qui élargit le concept de régulation des récepteurs orphelins. La fixation de Sonic hedgehog sur son récepteur Ptch lève la répression que Ptch exerce sur le co-récepteur Smo et permet la transduction du signal à l’intérieur de la cellule. Certains récepteurs orphelins à 7TM ont même réussi à acquérir au cours de l’évolution une fonction en l’absence de ligand et de partenaire d’hétérodimérisation (ORF74, UL33) (Figure 2). Ces protéines, souvent codées par des virus, ont une activité constitutive et jouent un rôle important dans la physiopathologie de plusieurs maladies [36].

L’ensemble de ces exemples d’hétérodimérisation illustre un rôle jusqu’alors insoupçonné des récepteurs orphelins à 7TM dans un processus essentiel à la fonctionnalité des RCPG.

GPR50 : un récepteur orphelin à 7TM de la famille rhodopsine

Nous venons de montrer au cours de cette revue comment un RCPG orphelin peut réguler par hétérodimérisation, de façon négative ou positive, un RCPG dont le ligand a été identifié. À cet égard, nous avons participé à l’essort de ce concept en montrant la formation d’un hétérodimère entre GPR50, récepteur orphelin à 7TM, et les récepteurs MT1 et MT2 de la mélatonine, membres de la famille rhodopsine. Les récepteurs MT1 et MT2 sont impliqués dans le contrôle du rythme circadien, dans des phénomènes vasoactifs et également dans la reproduction. La forte homologie de GPR50 avec les récepteurs MT1 et MT2 de la mélatonine a permis de classer ce récepteur au sein de cette famille et suggérait un ligand naturel proche de la mélatonine pour ce récepteur [37]. Cependant, les études pharmacologiques n’ont montré aucune spécificité de liaison pour les différents ligands mélatoninergiques connus, lui conférant ainsi son caractère orphelin. Depuis 11 ans, les multiples tentatives de « désorphelinisation » sont restées vaines. Bien que GPR50 interagisse avec les récepteurs MT1 et MT2, seules les propriétés fonctionnelles du récepteur MT1 sont affectées au sein de l’hétérodimère GPR50/MT1. En effet, la formation de l’hétérodimère GPR50/MT1 abolit la fixation de l’agoniste et le couplage des protéines G, mais aussi la liaison des β-arrestines, au récepteur MT1 (Figure 3). Tous ces effets dépendent de la très longue extrémité carboxy-terminale (plus de 300 acides aminés) de GPR50 qui prévient le recrutement de partenaires intracellulaires au récepteur MT1. Le rôle de GPR50 en tant que régulateur négatif du récepteur MT1 a été confirmé dans des cellules endothéliales cérébrales humaines hCMEC/D3 exprimant ces protéines de façon endogène. En effet, l’expression endogène de GPR50 est suffisante pour abolir l’activité du récepteur MT1 tandis que son extinction restaure la signalisation du récepteur MT1 [9]. L’inhibition de la fonction du récepteur MT1 via son hétérodimérisation avec GPR50 soulève la question de la régulation de ce processus. Dans des conditions physiologiques, il a été montré que les niveaux d’expression de ces protéines sont soumis à une régulation différentielle. En effet, l’expression du récepteur MT1 est régulée au cours du développement et subit des variations diurnes avec un taux faible de transcrits et un taux élevé de protéines la nuit, et inversement le jour [3840]. Concernant GPR50, le niveau d’expression des transcrits est régulé par la photopériode [41], mais il est aussi susceptible d’être modifié par des microARN dont les séquences cibles sont localisées au niveau de l’extrémité 3’ non traduite de GPR50 [42, 43]. Ainsi l’expression différentielle de MT1 et GPR50 serait un moyen de réguler la proportion d’homo- et d’hétérodimères de GPR50 au sein d’une cellule et ainsi les effets physiologiques de la mélatonine.

thumbnail Figure 3.

Propriétés de signalisation de l’hétérodimère MT1/GPR50. L’hétérodimérisation de GPR50 prévient l’interaction du récepteur MT1 avec la β-arrestine et les protéines Gαi. L’absence de couplage avec les protéines G engendre ensuite la perte de la liaison de la mélatonine sur le récepteur MT1. MLT : mélatonine.

Une autre étude portant sur les récepteurs Mrg (Mas-related gene) a montré une hétérodimérisation entre le récepteur orphelin à 7TM MrgE et le récepteur MrgD activé par son ligand la β-alanine. Le MrgE est, quant à lui, un régulateur positif de la voie de signalisation du récepteur MrgD au sein de l’hétérodimère MrgE/MrgD [44]. Ces observations confortent l’idée selon laquelle ce concept peut être élargi à l’ensemble des RCPG orphelins.

Conclusions

L’ensemble des récepteurs orphelins a été « désorphelinisé » sur la base de l’identification d’un ligand et non d’une fonction. Bien que les méthodes classiques de « désorphelinisation » aient été un succès dans le passé, l’identification de la fonction des RCPG orphelins « restants » requiert de nouvelles stratégies. Parallèlement, la conservation de ces récepteurs au cours de l’évolution, et la généralisation du phénomène de dimérisation ont permis de montrer qu’un RCPG peut être « désorphelinisé » indépendamment de l’identification de son ligand mais à travers l’hétérodimérisation avec une autre protéine [45]. Ainsi, l’identification de la fonction de certains récepteurs orphelins via leur hétérodimérisation pourrait constituer une de ces nouvelles stratégies. Elle apporterait de nouveaux éléments dans la compréhension de la diversité des signaux engendrés à partir d’un répertoire constant de gènes codant les RCPG. D’un point de vue pharmacologique, l’existence de nouvelles propriétés spécifiques des hétérodimères élargit le spectre de cibles potentielles pour des drogues et ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la recherche thérapeutique.

Remerciements

Nous tenons à remercier la Fondation pour la Recherche Médicale (bourse de doctorat et « Equipe FRM »), la Fédération pour la Recherche sur le Cerveau/FRC Neurodon ainsi que l’Institut de Recherche Servier pour leurs soutiens financiers et le Dr Françoise Bachelerie pour la relecture du manuscrit.


1

La vitréorétinopathie exsudative familiale est une dystrophie rétinovitréenne rare caractérisée par un arrêt prématuré de la vascularisation de la rétine périphérique (source : Orphanet).

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Évolution du processus de « désorphelinisation » des RCPG depuis l’an 2000. MrgD et MrgX3 : Mas related gene D et X3 ; GPR : G protein coupled receptor ; CCR6 : chemokine CC motif receptor 6 ; RDC1 : chemokine orphan receptor 1 (CMKOR1) ; GPRC6A : G-protein-coupled receptor family C6A ; ChemR23 : chemerin receptor 23 (adapté d’après [20]).

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Les différents partenaires d’hétérodimérisation des récepteurs orphelins à 7TM. Les récepteurs orphelins à 7 domaines transmembranaires (7TM) sont indiqués en rouge. Les abréviations N-ter et C-ter signifient extrémité amino (N)-terminale et carboxy-terminale. GABAB1 or GABAB2 : metabotropic γ-aminobutyric acid (GABA) B receptor 1 or 2 ; DOR 22a, 43a, 83b : Drosophila odorant receptors 22a, 43a, 83b ; T1R : taste receptors ; MrgD or MrgE, Mas related gene D or E ; MT1 : melatonin receptor ; GPR50, G protein coupled receptor 50 ; ORF74 : Herpesvirus 8-encoded receptor ; UL33 : human cytomegalovirus chemokine receptor-like protein ; EBI2 : Epstein-Barr virus-induced receptor 2.

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Propriétés de signalisation de l’hétérodimère MT1/GPR50. L’hétérodimérisation de GPR50 prévient l’interaction du récepteur MT1 avec la β-arrestine et les protéines Gαi. L’absence de couplage avec les protéines G engendre ensuite la perte de la liaison de la mélatonine sur le récepteur MT1. MLT : mélatonine.

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