Des protéines de synthèse surpassent l'insuline et évitent ses effets secondaires favorisant le cancer

Le récepteur à l'insuline (IR) est un régulateur central du métabolisme, de la croissance et de la prolifération cellulaire. Lorsque l'insuline se lie à lui, elle déclenche des changements conformationnels dans les domaines extracellulaires de l'IR qui rapprochent les domaines kinases intracellulaires, permettant la trans-autophosphorylation et l'activation de deux grandes voies de signalisation en aval : la voie AKT (gouvernant le métabolisme du glucose) et la voie MAPK/ERK (gouvernant la prolifération cellulaire). Une dérégulation de ce système sous-tend à la fois le diabète et certains cancers. Un défi de longue date consiste à dissocier ces deux réponses afin de créer des thérapeutiques qui abaissent la glycémie sans favoriser la croissance tumorale.

L'équipe de recherche, réunissant l'University of Washington, la Columbia University et UT Southwestern, a eu recours à la conception de protéines de novo par ordinateur pour construire des agonistes de l'IR entièrement synthétiques. Les chercheurs ont d'abord conçu des molécules de liaison pour deux sites distincts de fixation de l'insuline sur le domaine extracellulaire de l'IR : le site-1 (domaines L1/α-CT) et le site-2 (domaine F1). Un ligand du site-2 appelé S2B a atteint une affinité de 1,9 nM pour le domaine F1 de l'IR — bien supérieure à celle de l'insuline elle-même (21 µM sur ce site) — et est resté thermostable à 95°C. Ils ont ensuite fusionné des ligands du site-1 et du site-2 à l'aide de liaisons de rigidité variable, allant de chaînes glycine-sérine (GS) flexibles de différentes longueurs à des connexions hélicoïdales rigides conçues par ordinateur grâce à RFdiffusion.

L'orientation et la rigidité de la fusion ont considérablement modulé le signal émis. Les fusions orientées S1-vers-S2 se sont comportées comme des agonistes partiels, voire des antagonistes de l'insuline. Les fusions orientées S2-vers-S1 avec des liaisons flexibles étaient des agonistes biaisés, activant AKT de manière comparable à l'insuline mais ne déclenchant qu'environ 40 % de l'activation d'ERK induite par l'insuline — un profil potentiellement intéressant qui dissocie la signalisation métabolique de la signalisation mitogène. Les fusions à liaison rigide (RF-405 et RF-409), conçues pour verrouiller le récepteur dans sa conformation active, étaient des agonistes complets et équilibrés, égalant l'insuline sur l'ensemble des réponses mesurées : autophosphorylation de l'IR, activation d'AKT et activation d'ERK.

De manière cruciale, l'équipe a montré que ces différences de signalisation avaient de réelles conséquences biologiques. Les conceptions flexibles biaisées vers AKT ont stimulé la translocation des transporteurs de glucose et l'absorption de glucose de façon similaire à l'insuline, mais ont induit une prolifération des cellules cancéreuses significativement moindre. RF-405 a abaissé la glycémie chez la souris de manière plus puissante et plus durable que l'insuline. Plusieurs molécules ont conservé une activité complète sur des mutants de l'IR (par exemple R1174Q, W1193L) qui provoquent une insulinorésistance sévère en perturbant la fixation de l'insuline — une découverte directement pertinente pour les patients porteurs de ces mutations qui ne répondent pas à l'insulinothérapie conventionnelle. Des structures obtenues par cryo-EM ont confirmé que les protéines conçues se liaient à l'IR aux sites prévus et stabilisaient des conformations actives distinctes.

Ces travaux établissent que la conformation de l'IR et la dynamique des liaisons encodent directement la spécificité de la signalisation en aval, et que la conception de protéines de novo permet d'explorer cet espace de manière systématique. Les agonistes conçus sont hyperthermostables, hautement spécifiques (sans activation croisée de l'IGF1R) et plus faciles à produire que l'insuline, ce qui répond à des limites clés des thérapies actuelles du diabète. Bien que les études chez la souris soient encourageantes, la transposition à l'être humain nécessite une optimisation pharmacocinétique approfondie ainsi que des tests de sécurité complémentaires.