Alpha- and gamma-melanocyte stimulating hormones in obesity. A study of the key central areas of metabolic regulation

The melanocortin system is an important regulator of feeding, energy metabolism,and cardiovascular function and it consists of the pro-opiomelanocortin (POMC) derived melanocyte stimulating hormones (α-, β- and γ-MSH) and their endogenous melanocortin receptors, MC1R to MC5R. In the hypothalamus, α-MSH reduces food intake, and increases energy expenditure and sympathetic tone by binding to MC4R. Mutations affecting the MC4R gene lead to obesity in mammals. On the other hand, the metabolic effects of MC3R stimulation using agonists such as the endogenously expressed γ-MSH have been less extensively explored. The main objective of this study was to investigate the long-term effects of increased melanocortin tone in key areas of metabolic regulation in the central nervous system (CNS) in order to investigate the sitespecific roles of both α-MSH and γ-MSH. The aim was to stereotaxically induce local overexpression of single melanocortin peptides using lentiviral vectors expressing α-MSH (LVi-α-MSH-EGFP) and γ-MSH (LVi-γ-MSH-EGFP). The lentiviral vectors were shown to produce a long-term overexpression and biologically active peptides in cell-based assays. The LVi-α-MSHEGFP was targeted to the arcuate nucleus in the hypothalamus of diet induced obese mice where it reduced weight gain and adiposity independently of food intake. When the nucleus tractus solitarus in the brainstem was targeted, the LVi-α-MSH-EGFP treatment was shown to cause a small decrease in adiposity, which did not impact weight development. However, the α-MSH treatment increased heart rate, which was attenuated by adrenergic receptor blockade indicative of increased sympathetic activity. The LVi-γ-MSH-EGFP was targeted to the hypothalamus where it decreased fat mass in mice eating the standard diet, but the effect was abated if animals consumed a high-fat Western type diet. When the diet induced obese mice were subjected again to the standard diet, the LVi-γ-MSH-EGFP treated animals displayed increased weight loss and reduced adiposity. These results indicate that the long-term central anti-obesity effects of α-MSH are independent of food intake. In addition, overexpression of α-MSH in the brain stem efficiently blocked the development of adiposity, but increased sympathetic tone. The evidence presented in this thesis also indicates that selective MC3R agonists such as γ-MSH could be potential therapeutics in combination with low fat diets.

Interaction between NO and oxytocin: Influence on LHRH release

Nitric oxide synthase (NOS)-containing neurons have been localized in various parts of the CNS. These neurons occur in the hypothalamus, mostly in the paraventricular and supraoptic nuclei and their axons project to the neural lobe of the pituitary gland. We have found that nitric oxide (NO) controls luteinizing hormone-releasing hormone (LHRH) release from the hypothalamus acting as a signal transducer in norepinephrine (NE)-induced LHRH release. LHRH not only releases LH from the pituitary but also induces sexual behavior. On the other hand, it is known that oxytocin also stimulates mating behavior and there is some evidence that oxytocin can increase NE release. Therefore, it occurred to us that oxytocin may also stimulate LHRH release via NE and NO. To test this hypothesis, we incubated medial basal hypothalamic (MBH) explants from adult male rats in vitro. Following a preincubation period of 30 min, MBH fragments were incubated in Krebs-Ringer bicarbonate buffer in the presence of various concentrations of oxytocin. Oxytocin released LHRH at concentrations ranging from 0.1 nM to 1 µM with a maximal stimulatory effect (P<0.001) at 0.1 µM, but with no stimulatory effect at 10 µM. That these effects were mediated by NO was shown by the fact that incubation of the tissues with NG-monomethyl-L-arginine (NMMA), a competitive inhibitor of NOS, blocked the stimulatory effects. Furthermore, the release of LHRH by oxytocin was also blocked by prazocin, an a1-adrenergic receptor antagonist, indicating that NE mediated this effect. Oxytocin at the same concentrations also increased the activity of NOS (P<0.01) as measured by the conversion of [14C]arginine to citrulline, which is produced in equimolar amounts with NO by the action of NOS. The release of LHRH induced by oxytocin was also accompanied by a significant (P<0.02) increase in the release of prostaglandin E2 (PGE2), a mediator of LHRH release that is released by NO. On the other hand, incubation of neural lobes with various concentrations of sodium nitroprusside (NP) (300 or 600 µM), a releaser of NO, revealed that NO acts to suppress (P<0.01) the release of oxytocin. Therefore, our results indicate that oxytocin releases LHRH by stimulating NOS via NE, resulting in an increased release of NO, which increases PGE2 release that in turn induces LHRH release. Furthermore, the released NO can act back on oxytocinergic terminals to suppress the release of oxytocin in an ultrashort-loop negative feedback

Heterogeneity of glomerular perfusion and filtration induced by epinephrine and norepinephrine

The role of catecholamines in the distribution of intrarenal blood flow and in single-nephron glomerular filtration rate (SNGFR) was evaluated in anesthetized Wistar rats by the Hanssen technique. Epinephrine (EPI) and norepinephrine (NOR) were infused to produce elevations of 20-30 mmHg in mean arterial pressure. Superficial and juxtamedullary nephron perfusion and filtration were determined by the presence of Prussian blue dye. In the control group, 100% of the nephrons presented a homogeneous pattern of perfusion and filtration. In contrast, a heterogeneous distribution of the dye was found even in the larger arteries (arciform and radial), indicating variable perfusion and filtration in both superficial and juxtamedullary nephrons. The effects of EPI and NOR were also evaluated in the superficial cortex by the micropuncture technique in two additional groups of Munich-Wistar rats. Mean SNGFR was 27% and 54% lower in the EPI- and NOR-treated groups, respectively. No change in mean intraglomerular hydraulic pressure was observed after EPI or NOR infusion in spite of a highly scattered pattern, indicating an important variability in perfusion along the superficial cortex, and/or different sensitivity of the pre- and post-glomerular arterioles. The present data suggest that EPI and NOR may affect intrarenal hemodynamics by modifying perfusion and filtration in both superficial and juxtamedullary glomeruli and not by shifting blood flow from superficial to juxtamedullary nephrons. The heterogeneous pattern of perfusion was a consequence of differential vasoconstriction along the intrarenal arteries, probably due to different density and/or sensitivity of the adrenergic receptor subtypes present in the intrarenal vascular tree.

The diversity of abnormal hormone receptors in adrenal Cushing's syndrome allows novel pharmacological therapies

Recent studies from several groups have indicated that abnormal or ectopic expression and function of adrenal receptors for various hormones may regulate cortisol production in ACTH-independent hypercortisolism. Gastric inhibitory polypeptide (GIP)-dependent Cushing's syndrome has been described in patients with either unilateral adenoma or bilateral macronodular adrenal hyperplasia; this syndrome results from the large adrenal overexpression of the GIP receptor without any activating mutation. We have conducted a systematic in vivo evaluation of patients with adrenal Cushing's syndrome in order to identify the presence of abnormal hormone receptors. In macronodular adrenal hyperplasia, we have identified, in addition to GIP-dependent Cushing's syndrome, other patients in whom cortisol production was regulated abnormally by vasopressin, ß-adrenergic receptor agonists, hCG/LH, or serotonin 5HT-4 receptor agonists. In patients with unilateral adrenal adenoma, the abnormal expression or function of GIP or vasopressin receptor has been found, but the presence of ectopic or abnormal hormone receptors appears to be less prevalent than in macronodular adrenal hyperplasia. The identification of the presence of an abnormal adrenal receptor offers the possibility of a new pharmacological approach to control hypercortisolism by suppressing the endogenous ligands or by using specific antagonists for the abnormal receptors.

Swimming training increases cardiac vagal activity and induces cardiac hypertrophy in rats

The effect of swimming training (ST) on vagal and sympathetic cardiac effects was investigated in sedentary (S, N = 12) and trained (T, N = 12) male Wistar rats (200-220 g). ST consisted of 60-min swimming sessions 5 days/week for 8 weeks, with a 5% body weight load attached to the tail. The effect of the autonomic nervous system in generating training-induced resting bradycardia (RB) was examined indirectly after cardiac muscarinic and adrenergic receptor blockade. Cardiac hypertrophy was evaluated by cardiac weight and myocyte morphometry. Plasma catecholamine concentrations and citrate synthase activity in soleus muscle were also determined in both groups. Resting heart rate was significantly reduced in T rats (355 ± 16 vs 330 ± 20 bpm). RB was associated with a significantly increased cardiac vagal effect in T rats (103 ± 25 vs 158 ± 40 bpm), since the sympathetic cardiac effect and intrinsic heart rate were similar for the two groups. Likewise, no significant difference was observed for plasma catecholamine concentrations between S and T rats. In T rats, left ventricle weight (13%) and myocyte dimension (21%) were significantly increased, suggesting cardiac hypertrophy. Skeletal muscle citrate synthase activity was significantly increased by 52% in T rats, indicating endurance conditioning. These data suggest that RB induced by ST is mainly mediated parasympathetically and differs from other training modes, like running, that seems to mainly decrease intrinsic heart rate in rats. The increased cardiac vagal activity associated with ST is of clinical relevance, since both are related to increased life expectancy and prevention of cardiac events.

Loss of resting bradycardia with detraining is associated with intrinsic heart rate changes

The mechanisms underlying the loss of resting bradycardia with detraining were studied in rats. The relative contribution of autonomic and non-autonomic mechanisms was studied in 26 male Wistar rats (180-220 g) randomly assigned to four groups: sedentary (S, N = 6), trained (T, N = 8), detrained for 1 week (D1, N = 6), and detrained for 2 weeks (D2, N = 6). T, D1 and D2 were treadmill trained 5 days/week for 60 min with a gradual increase towards 50% peak VO2. After the last training session, D1 and D2 were detrained for 1 and 2 weeks, respectively. The effect of the autonomic nervous system in causing training-induced resting bradycardia and in restoring heart rate (HR) to pre-exercise training level (PET) with detraining was examined indirectly after cardiac muscarinic and adrenergic receptor blockade. T rats significantly increased peak VO2 by 15 or 23.5% when compared to PET and S rats, respectively. Detraining reduced peak VO2 in both D1 and D2 rats by 22% compared to T rats, indicating loss of aerobic capacity. Resting HR was significantly lower in T and D1 rats than in S rats (313 ± 6.67 and 321 ± 6.01 vs 342 ± 12.2 bpm) and was associated with a significantly decreased intrinsic HR (368 ± 6.1 and 362 ± 7.3 vs 390 ± 8 bpm). Two weeks of detraining reversed the resting HR near PET (335 ± 6.01 bpm) due to an increased intrinsic HR in D2 rats compared with T and D1 rats (376 ± 8.8 bpm). The present study provides the first evidence of intrinsic HR-mediated loss of resting bradycardia with detraining in rats.

Protective mechanism of agmatine pretreatment on RGC-5 cells injured by oxidative stress

Agmatine has neuroprotective effects on retinal ganglion cells (RGCs) as well as cortical and spinal neurons. It protects RGCs from oxidative stress even when it is not present at the time of injury. As agmatine has high affinity for various cellular receptors, we assessed protective mechanisms of agmatine using transformed RGCs (RGC-5 cell line). Differentiated RGC-5 cells were pretreated with 100 μM agmatine and consecutively exposed to 1.0 mM hydrogen peroxide (H2O2). Cell viability was determined by measuring lactate dehydrogenase (LDH), and the effects of selective alpha 2-adrenergic receptor antagonist yohimbine (0-500 nM) and N-methyl-D-aspartic acid (NMDA) receptor agonist NMDA (0-100 µM) were evaluated. Agmatine’s protective effect was compared to a selective NMDA receptor antagonist MK-801. After a 16-h exposure to H2O2, the LDH assay showed cell loss greater than 50%, which was reduced to about 30% when agmatine was pretreated before injury. Yohimbine almost completely inhibited agmatine’s protective effect, but NMDA did not. In addition, MK-801 (0-100 µM) did not significantly attenuate the H2O2-induced cytotoxicity. Our results suggest that neuroprotective effects of agmatine on RGCs under oxidative stress may be mainly attributed to the alpha 2-adrenergic receptor signaling pathway.

Lack of evidence for regulation of cardiac P-type ATPases and MAP kinases in transgenic mice with cardiac-specific overexpression of constitutively active α1B-adrenoceptors

The regulatory function of α1B-adrenoceptors in mammalian heart homeostasis is controversial. The objective of the present study was to characterize the expression/activity of key proteins implicated in cardiac calcium handling (Na+/K+-ATPase and Ca2+-ATPases) and growth (ERK1/2, JNK1/2 and p38) in mice with cardiac-selective overexpression of constitutively active mutant α1B-adrenoceptor (CAMα1B-AR), which present a mild cardiac hypertrophy phenotype. Immunoblot assays showed that myocardial plasma membrane Ca2+-ATPase (PMCA) expression was increased by 30% in CAMα1B-AR mice (N = 6, P < 0.05), although there was no change in sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA2) expression. Moreover, total Ca2+-ATPase activity was not modified, but a significant increase in the activity of the thapsigargin-resistant (PMCA) to thapsigargin-sensitive (SERCA) ratio was detected. Neither Na+/K+-ATPase activity nor the expression of α1 and α2 subunit isoforms was changed in CAMα1B-AR mouse hearts. Moreover, immunoblot assays did not provide evidence for an enhanced activation of the three mitogen-activated protein kinases studied in this stage of hypertrophy. Therefore, these findings indicate that chronic cardiac α1B-AR activation in vivo led to mild hypertrophy devoid of significant signs of adaptive modifications concerning primary intracellular calcium control and growth-related proteins, suggesting a minor pathophysiological role of this adrenergic receptor in mouse heart at this stage of development.

Stress-related hormone norepinephrine induces interleukin-6 expression in GES-1 cells

In the current literature, there is evidence that psychological factors can affect the incidence and progression of some cancers. Interleukin 6 (IL-6) is known to be elevated in individuals experiencing chronic stress and is also involved in oncogenesis and cancer progression. However, the precise mechanism of IL-6 induction by the stress-related hormone norepinephrine (NE) is not clear, and, furthermore, there are no reports about the effect of NE on IL-6 expression in gastric epithelial cells. In this study, we examined the effect of NE on IL-6 expression in immortalized human gastric epithelial cells (GES-1 cells). Using real-time PCR and enzyme-linked immunoassay, we demonstrated that NE can induce IL-6 mRNA and protein expression in GES-1 cells. The induction is through the β-adrenergic receptor-cAMP-protein kinase A pathway and mainly at the transcriptional level. Progressive 5′-deletions and site-directed mutagenesis of the parental construct show that, although activating-protein-1 (AP-1), cAMP-responsive element binding protein (CREB), CCAAT-enhancer binding protein-β (C/EBP-β), and nuclear factor κ-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) binding sites are all required in the basal transcription of IL-6, only AP-1 and CREB binding sites in the IL-6 promoter are required in NE-induced IL-6 expression. The results suggest that chronic stress may increase IL-6 secretion of human gastric epithelial cells, at least in part, by the stress-associated hormone norepinephrine, and provides basic data on stress and gastric cancer progression.

Evaluation du systeme nerveux autonome dans l'hypertension arterielle essentielle

L’analyse spectrale de la fréquence cardiaque, de la pression artérielle systolique, de la pression artérielle diastolique ainsi que de la respiration par la transformée de Fourier rapide, est considérée comme une technique non invasive pour la détermination de l’activité du système nerveux autonome (SNA). Dans une population de sujets normaux volontaires, nous avons obtenu à l’état basal, des oscillations de basses fréquences (0,05-0,15Hz) reliées au système nerveux sympathique autonome et des oscillations de hautes fréquences (0,2Hz) représentant sur les intervalles entre chaque ondes R de l’électrocardiogramme (RR), l’arythmie sinusale respiratoire correspondant à une activité vagale. Nous avons comparé les tests de stimulation du système nerveux sympathique autonome déclenché par le passage de la position de repos (en décubitus dorsal), à la position orthostatique volontaire et le passage de la position de repos à la position orthostatique avec la table basculante à 60o. Nous avons également comparé un groupe normotendu à un groupe hypertendu qui a été soumis au passage du repos à l’orthostation volontaire et pour lesquels nous avons évalué la sensibilité du baroréflexe et la réponse sympathique par la mesure des catécholamines circulantes. Dans un groupe de sujets ayant une hypertension artérielle essentielle, nous avons évalué l’effet de la thérapie hypotensive, par le Trandolapril qui est un Inhibiteur de l’enzyme de conversion (IEC) de l`angiotensine. Dans ce groupe hypertendu, nous avons procédé, en plus de la stimulation sympathique par l’orthostation volontaire, à un exercice isométrique de trois minutes à 30 % de la force maximale. Nous avons également complété notre évaluation par la mesure de la densité de récepteurs ß2 adrénergiques sur lymphocytes et par la mesure des indices de contractilité à l’aide de l’échocardiographie en M mode. Les résultats ont montré, dans les groupes normaux volontaires, dans les deux types de stimulation du système nerveux sympathique par la position orthostatique, une augmentation significative des catécholamines plasmatiques avec une augmentation de la fréquence cardiaque et des basses fréquences de RR, confirmant ainsi que l’on est en état de stimulation sympathique. On observe en même temps une diminution significative des hautes fréquences de RR, suggérant un retrait vagal lors de cette stimulation. On a observé au test de la table basculante six cas d’hypotension orthostatique. On a comparé la position orthostatique volontaire entre le groupe de sujets normaux et le groupe de sujets hypertendus. L’analyse spectrale croisée de RR et de la pression artérielle systolique a permis d’évaluer dans l’hypertension artérielle (HTA), essentielle une sensibilité du baroréflexe atténuée, accompagnée d’une réactivité vagale réduite en présence d’une activité et d’une réactivité sympathique augmentées suggérant une altération sympathovagale dans l’HTA. Dans le groupe de sujets hypertendus traités (Trandolapril 2mg/jour), nous avons identifié un groupe de répondeurs au traitement par le Trandolapril et un groupe de non répondeurs à ce type de thérapie anti-hypertensive. Le groupe répondeur avait un profil hyper-adrénergique avec une hyper-réactivité sympathique, une fréquence cardiaque et des pressions artérielles diastolique et systolique plus élevées au repos. Dans le groupe total traité au Trandolapril, la densité des récepteurs ß2 adrénergiques a doublé, après thérapie, alors que la réactivité des basses fréquences obtenues à l’analyse spectrale a augmenté. Nous avons montré dans notre étude qu’un IECA a pu inhiber le mécanisme facilitateur de l’angII sur les terminaisons nerveuses sympathiques et a permis ainsi de réduire l’hyperactivité sympathique et le mécanisme de « down regulation » des récepteurs ß2 adrénergiques rendant ainsi l’expression de l’influence du SNA post synaptique plus efficace. Dans l’ensemble de nos protocoles cliniques, par l’utilisation de l’analyse spectrale des signaux RR, de la pression artérielle systolique,de la pression artérielle diastolique et de la respiration, nous avons montré que cette technique non invasive permet de décrire et de mieux comprendre les mécanismes physiologiques, physiopathologiques et pharmacologiques reliés au système nerveux autonome et à l’hypertension artérielle essentielle.

Étude moléculaire de la formation de complexes protéiques impliqués dans la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G

La communication cellulaire est un phénomène important pour le maintien de l’homéostasie des cellules. Au court des dernières années, cette sphère de recherche sur la signalisation cellulaire a connue des avancées importantes au niveau de l’identification des acteurs principaux impliqués dans la reconnaissance extracellulaire des signaux, ainsi que la compréhension des voies de signalisation engagées par les cellules pour répondre aux facteurs extracellulaires. Malgré ces nouvelles informations, les diverses interrelations moléculaires entre les acteurs ainsi que les voies de signalisation cellulaire, demeurent mal comprises. Le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permet la mesure d’interactions protéiques et peut être utilisé dans deux configurations, le BRET480-YFP (connu aussi comme le BRET1) et le BRET400-GFP (connu aussi en tant que BRET2). Suite à l’oxydation de son substrat, la luciférase de renilla peut transférer son énergie à une protéine fluorescente, uniquement si elles sont à proximité l’une de l’autre (≤100Å). La combinaison dans un seul essai des BRET480-YFP et BRET400-GFP, a permis de suivre trois paires d’interactions, sur une même population cellulaire. Par contre, l’utilisation de deux substrats pour la réaction de bioluminescence rend impossible la mesure simultanée des différents signaux de BRET, pour ce trois nouvelles configurations de BRET ont été mises au point en utilisant des nouvelles protéines fluorescentes. Ainsi deux des nouvelles couleurs de BRET ayant des émissions résolues, le BRET400-BFP et le BRET400mAmetrine ont pu être combinées pour mesurer l’engagement par un RCPG d’une protéine G, ainsi que l’accumulation du second messager. La combinaison de ces BRET a également permis de révéler la formation d’un complexe entre le récepteur α2A adrénergique (α2AAR), Gαi1, le dimère Gβγ ainsi que la kinase des récepteurs couplés aux protéines G (GRK2), suite à l’activation du récepteur. De plus, seule l’entrée de GRK2 semble être en mesure de causer la désensibilisation du α2AAR, en s’intercalant entre Gαi1 et Gβγ. Par contre, la stabilisation de l’interaction entre α2AAR et la β-arrestine2 semble nécessiter l’activité kinase de GRK2. Une autre étude a révélé l’importance de différentes Gα pour la mobilisation du calcium, suite à l’activation du récepteur aux opioïdes de type delta (DOR). Suite à la surexpression de Gα de la famille Gαq, il a été possible de mesurer une influence de ces Gα sur la mobilisation du calcium. Toutefois, cette réponse calcique mesurée en présence des Gαq demeure sensible aux prétraitements à la toxine de Bordetella pertussis, qui inhibe sélectivement l’activité des Gαi. De plus, la co-expression de Gαi et Gαq permet de potentialiser la mobilisation de calcium, démontrant une interrelation entre ces deux familles de protéine Gα, pour la signalisation du DOR. Afin de démontrer l’interrelation directe, des expériences de BRET ont été réalisées entre différentes Gα. En plus de montrer la formation de complexes sélectifs entre les Gα, les expériences de BRET réalisées en parallèle d’analyses de séquences de Gα, ont également mis à jour un site de sélectivité d’interaction entre les Gα, l’hélice α4. Suite à la transposition de cette hélice α4 de Gα12 sur Gαi1, qui normalement n’interagissent pas, il a été possible de forcer l’interaction entre Gα12 et Gαi1, confirmant ainsi que cette hélice α contient l’information permettant une sélectivité d’interaction. Au cours de cette thèse, il a été possible de générer de nouvelles méthodes de mesure d’interactions protéiques qui permettent de multiplexer différents signaux, ce qui a permis de mettre à jour de nouvelles interactions entre divers effecteurs de la signalisation de RCGP

Mécanismes cellulaires de l'induction du facteur de transcription Nur77 après un traitement aux antipsychotiques

Les antipsychotiques sont utilisés en clinique depuis plus de 50 ans pour pallier aux symptômes de la schizophrénie. Malgré une recherche intensive, les mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de l’effet clinique de cette médication demeurent encore nébuleux. Ces drogues sont reconnues comme des antagonistes des récepteurs D2 de la dopamine et peuvent moduler la transcription génique dans le striatum. Au cours des recherches qui ont mené à l'écriture de cette thèse, nous avons exploré l’expression de Nur77, un facteur de transcription de la famille des récepteurs nucléaires, afin de caractériser le rôle de la dopamine, la sérotonine, l’adénosine et le glutamate dans la régulation génique contrôlée par les antagonistes D2. En premier lieu, nous avons examiné l’impact de la co-administration d’agents sérotonergiques et adrénergiques sur l’expression de l’ARNm de Nur77 induite par l’halopéridol, un antipsychotique de première génération. Nous avons observé que le 8-OH-DPAT et le MDL11939 préviennent partiellement l’induction de Nur77 dans le striatum. Au contraire, l’idazoxan potentialise l’effet de l’halopéridol sur l’expression de Nur77 alors que le prazosin reste sans effet. Ces résultats démontrent que l’expression striatale de Nur77 induite par l’halopéridol peut être modulée à la baisse avec un agoniste 5-HT1A ou un antagoniste 5-HT2A. Par la suite, nous avons évalué dans divers paradigmes expérimentaux l’effet de l’éticlopride, un antagoniste spécifique D2, afin d’explorer davantage le mécanisme de l’effet transcriptionnel des antagonistes D2. Étonnamment, la suppression de l’isoforme D2L chez la souris D2L KO ne réduit pas la réponse de l’éticlopride dans le striatum. Par contre, une lésion corticale avec l’acide iboténique bloque l’effet de l’éticlopride sur la transcription de Nur77, suggérant un rôle du glutamate. La combinaison d’un antagoniste des récepteurs métabotropes du glutamate de types 5 (mGluR5) et d’un antagoniste des récepteurs de l’adénosine A2A abolit complètement l’augmentation de la transcription de Nur77 induit par l’éticlopride dans le striatum. La modulation directe de l’expression striatale de Nur77 par les récepteurs mGluR5 et A2A a été confirmée dans un modèle de cultures organotypiques de tranches cérébrales. Ces résultats démontrent clairement que la modulation de l’expression génique dans le striatum, à la suite d’un traitement avec un antagoniste D2 pourrait être indépendante d’une interaction directe avec les récepteurs D2 post-synaptiques, et reposerait plutôt sur son interaction avec les récepteurs D2 hétérosynaptiques des afférences corticostriées et l’activation subséquente des récepteurs post-synaptiques du glutamate et de l’adénosine. En résumé, nos résultats suggèrent que l’interaction des antipsychotiques atypiques avec les récepteurs 5-HT2A et 5-HT1A pourrait expliquer la différence dans le patron d’expression génique induit par ces drogues en comparaison avec les antipsychotiques typiques. De plus, nos résultats révèlent un nouveau mécanisme d’action des antagonistes D2 et supportent un rôle primordial du glutamate et de l’adénosine dans les effets des antipsychotiques de première génération.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

Use of cellular impedance to characterize ligand functional selectivity at G protein-coupled receptors

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments.

Clonidina para el Tratamiento del Dolor Oncológico: una Revisión Sistemática de la Literatura

El dolor oncológico representa una de las principales causas de dolor crónico, siendo los opioides la primera línea de manejo, sin embargo 10% de los pacientes requieren estrategias analgésicas multimodales. La eficacia analgésica de la clonidina como coadyuvante ha sido demostrada para diversos modelos de dolor. Sin embargo no hay revisiones sistemáticas que validen su eficacia y seguridad en dolor crónico oncológico. Se realizó una revisión sistemática de la literatura a noviembre 26 de 2012, encontrando 15 trabajos (12 reportes de caso y tres ensayos clínicos controlados), n=138 pacientes. La intervención tuvo una eficacia entre 44,7 y 100%, mostrando mayor beneficio en pacientes con componente de dolor neuropático. La adición de clonidina fue bien tolerada, siendo la sedación y la disminución en tensión arterial y frecuencia cardiaca los efectos secundarios más frecuentes, con relación dosis dependiente, de resolución espontánea y en ninguno de los casos se documentó lesión secundaria en los pacientes. La vía de administración más frecuente fue neuroaxial (intratecal y peridural). La revisión sistemática no fue susceptible de metaanálisis por la heterogeneidad clínica de los estudios. Los resultados obtenidos sugieren que la adición de clonidina puede ser una opción terapeútica eficaz y segura en los pacientes con dolor crónico oncológico severo refractario a opioides a altas dosis asociado o no a infusión neuroaxial de anestésico local, en especial en presencia de componente neuropático. Sin embargo se identificó la necesidad de un mayor número de ensayos clínicos controlados aleatorios que permitan establecer conclusiones definitivas.