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Sep 07, 2023

Les métabolites du microbiote comme agonistes du récepteur orphelin GPRC5A

Nature Chimie Biologie

Nature Chemical Biology (2023)Citer cet article

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Nous avons utilisé la protéomique chimique pour identifier les cibles protéiques candidates des métabolites de l'indole dans les cellules de mammifères. Nous avons découvert que les monoamines aromatiques synthétiques et dérivées du microbiote peuvent activer le recrutement de la β-arrestine vers le récepteur orphelin GPRC5A. Des espèces de microbiote spécifiques qui expriment des décarboxylases d'acides aminés se sont avérées produire des agonistes de monoamine aromatique pour GPRC5A.

Le microbiote humain produit une variété de métabolites qui régulent la physiologie et la maladie de l'hôte. En effet, le métabolisme microbien des polysaccharides, des acides aminés, des acides biliaires et des médicaments synthétiques a des effets profonds sur le métabolisme de l'hôte, l'immunité et le comportement neurologique, ainsi que sur l'activité des thérapeutiques. En particulier, les acides aminés aromatiques alimentaires tels que le tryptophane, la tyrosine et la phénylalanine sont métabolisés par le microbiote intestinal en une variété de molécules biologiquement actives1. Bien qu'il ait été démontré que les métabolites du microbiote engagent diverses classes de protéines cellulaires, telles que les récepteurs de reconnaissance de formes, les récepteurs nucléaires et les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), définir les cibles protéiques des métabolites du microbiote et déterminer leurs mécanismes d'action précis reste encore difficile. La protéomique chimique fournit une approche puissante pour identifier les protéines interagissant avec les métabolites dans les cellules et caractériser leur(s) mécanisme(s) d'action2.

Nous avons développé des rapporteurs de photoaffinité de l'acide indole-3-acétique et de la tryptamine (Fig. 1), deux métabolites importants du microbiote qui sont détectables dans des échantillons fécaux humains à des niveaux micromolaires3. Nous avons identifié de nombreuses protéines candidates qui interagissent avec les métabolites de l'indole, notamment les enzymes métaboliques, les transporteurs de petites molécules, les capteurs immunitaires et les GPCR orphelins. Il convient de noter que nous avons constaté que les reporters de photoaffinité du métabolite indole peuvent photo-réticuler la protéine 3 induite par l'acide rétinoïque (RAI3), codée par GPRC5A4, un GPCR orphelin de classe C associé à l'inflammation et à la tumorigenèse. De plus, un test PRESTO-Tango5 a montré que les monoamines aromatiques, y compris la tryptamine, la phénéthylamine et la tyramine, peuvent stimuler GPRC5A pour recruter la β-arrestine. De plus, des études de relation structure-activité de dérivés de monoamine aromatique ont identifié la 7-fluorotryptamine comme un agoniste synthétique plus puissant pour GPRC5A que la tryptamine. La mutagenèse de GPRC5A a identifié N252 et F256 comme des résidus d'acides aminés qui agissent comme des sites de liaison potentiels pour les monoamines aromatiques.

Reporters de photoaffinité (à gauche) des GPCR de photo-réticulation de l'acide indole-3-acétique et de la tryptamine dans des cellules de mammifères. Des espèces de microbiote spécifiques et leurs décarboxylases d'acides aminés aromatiques respectives produisent des monoamines aromatiques qui stimulent le recrutement de la β-arrestine vers GPRC5A. Les dérivés de monoamines aromatiques synthétiques tels que la 7-fluorotryptamine (en bas à droite) fonctionnent comme des agonistes GPRC5A plus puissants que les monoamines aromatiques microbiennes telles que la tryptamine (en haut à droite). © 2023, Zhao, X. et al.

Nous avons ensuite évalué si les agonistes de GPRC5A peuvent être produits par des espèces spécifiques de microbiote et leurs décarboxylases d'acides aminés aromatiques respectives, notamment Ruminococcus gnavus (tryptophane décarboxylase), Morganella morganii (glutamate ou tyrosine décarboxylase) et Enterococcus faecium (tyrosine décarboxylase). L'analyse phylogénétique de la tyrosine décarboxylase d'E. faecium (TyrDC) a démontré qu'elle est hautement conservée dans les souches d'espèces d'Enterococcus présentes dans le microbiote intestinal humain. L'analyse métabolomique d'E. faecium de type sauvage et d'un mutant de suppression de TyrDC a révélé que TyrDC est impliquée dans la métabolisation des acides aminés aromatiques en monoamines. Enfin, nous avons utilisé CRISPR – Cas9 pour éliminer GPRC5A dans la lignée cellulaire de cancer colorectal HT-29 et évalué les modifications de l'expression génique par séquençage d'ARN. Le profilage transcriptionnel des cellules dans lesquelles le gène codant pour GPRC5A a été éliminé a suggéré que ce GPCR unique joue un rôle clé dans la signalisation immunitaire et cancéreuse.

La délimitation des mécanismes d'action d'espèces et de métabolites spécifiques du microbiote est cruciale pour comprendre leur impact sur la physiologie et la maladie de l'hôte. Les GPCR à détection de métabolites interviennent dans le dialogue chimique des interactions hôte-micro-organisme. L'expression aberrante de GPRC5A a été associée à plusieurs cancers humains. Notre découverte que les métabolites indole se lient au GPRC5A et que les monoamines aromatiques activent le recrutement de la β-arrestine médiée par le GPRC5A constitue une première étape importante vers le développement d'outils pharmacologiques plus efficaces et la caractérisation des interactions entre les métabolites spécifiques du microbiote et le GPRC5A.

Contrairement à la grande région extracellulaire de liaison aux agonistes des GPCR canoniques de classe C, GPRC5A a une courte séquence N-terminale qui est peu susceptible de se lier aux ligands impliqués dans la signalisation médiée par la protéine G classique. Il est possible que les monoamines aromatiques ne soient pas des agonistes suffisamment puissants pour induire une signalisation GPRC5A supplémentaire au-delà du recrutement de la β-arrestine. Alternativement, l'engagement d'autres GPCR par des monoamines aromatiques peut interférer avec la signalisation spécifique de GPRC5A. Il est également possible que les monoamines aromatiques agissent comme des agonistes allostériques et nécessitent des ligands ou des composants protéiques supplémentaires pour activer complètement la signalisation GPRC5A.

La découverte et le développement futurs d'agonistes plus puissants et sélectifs pourraient aider à élucider la régulation de la signalisation GPRC5A. De plus, l'application d'agonistes synthétiques ou de bactéries productrices de monoamines aromatiques dans différents modèles de souris peut aider à clarifier les rôles de la signalisation GPRC5A dans les maladies inflammatoires et le cancer colorectal.

Howard C. Hang et Xiaohui Zhao

Scripps Research, La Jolla, Californie, États-Unis.

"Dans cette étude élégante, les auteurs désorphelinent le récepteur couplé à la protéine G GPRC5A à l'aide d'une sonde de marquage de photoaffinité qui ressemble à ses ligands dérivés du microbiote, identifient les bactéries du microbiome intestinal qui produisent ces ligands, développent des agonistes synthétiques plus puissants que ces ligands , et adressent la fonction de ce GPCR. En somme, cette étude est nouvelle et percutante parce qu'elle désorpheline un GPCR et constate que les ligands microbiens peuvent activer ce récepteur, qui peut être impliqué dans le cancer et l'inflammation. Pamela V. Chang, Université Cornell, Ithaca, NY, États-Unis.

Cette étude des métabolites indole dérivés du microbiote a été initiée dans le cadre des efforts de notre laboratoire pour déterminer les rôles fonctionnels des métabolites du microbiote, notamment le peptidoglycane, les acides gras à chaîne courte et les acides biliaires. Nous avons identifié de nombreuses protéines hôtes candidates intéressantes avec lesquelles ces métabolites interagissent, mais avons choisi GPRC5A pour des études fonctionnelles en raison de son statut « orphelin » et de son expression aberrante dans divers cancers. Le test PRESTO-Tango, qui est disponible en tant que ressource open source, était l'une des méthodes clés que nous avons utilisées pour identifier les agonistes des monoamines aromatiques pour GPRC5A. Nous sommes très reconnaissants pour le généreux don de matériel de recherche de la communauté scientifique et de nos collaborateurs. Bien que le début de la pandémie de COVID-19 au début de 2020 nous ait obligés à ralentir nos recherches sur d'autres dérivés synthétiques de monoamines aromatiques et sur des cultures d'espèces de microbiote, cela nous a donné le temps de discuter et de préparer cette étude. HCH et XZ

"Cette étude fournit une belle interaction entre le métabolisme microbien et la signalisation GPCR et met en évidence la force de la chimioprotéomique dans l'identification des mécanismes d'action des métabolites microbiens." Équipe éditoriale, Nature Chemical Biology.

Dodd, D. et al. Une voie bactérienne intestinale métabolise les acides aminés aromatiques en neuf métabolites circulants. Nature 551, 648–652 (2017). Cet article rapporte le métabolisme des acides aminés aromatiques par les espèces du microbiote intestinal.

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Ceci est un résumé de : Zhao, X. et al. La chimioprotéomique révèle des agonistes monoamines aromatiques dérivés du microbiote pour GPRC5A. Nat. Chim. Biol. https://doi.org/10.1038/s41589-023-01328-z (2023).

Réimpressions et autorisations

Métabolites du microbiote comme agonistes du récepteur orphelin GPRC5A. Nat Chem Biol (2023). https://doi.org/10.1038/s41589-023-01342-1

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Publié: 29 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41589-023-01342-1

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