Étude de la pharmacologie de ligands du récepteur EP4 de prostaglandine E2

La prostaglandine E2 est une hormone lipidique produite abondamment dans le corps, incluant dans le rein où elle agit localement pour réguler les fonctions rénales. Un couplage à la protéine Gαs menant à une production d’AMPc a classiquement été attribué au récepteur EP4 de PGE2. La signalisation d’EP4 s’est cependant avérée plus complexe et implique aussi un couplage aux protéines sensibles à la PTX Gαi et des effets reliés aux β-arrestines. Il y a maintenant plusieurs exemples de l’activation sélective de voies de signalisation indépendantes par des ligands des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), et ce concept désigné sélectivité fonctionnelle pourrait être exploité dans le développement de nouveaux médicaments plus spécifiques et efficaces. Dans une première étude, la puissance et l’activité intrinsèque d’une série de ligands d’EP4 pour l’activation de Gαs, Gαi et de la ß-arrestine ont été systématiquement déterminées relativement au ligand endogène PGE2. Dans ce but, trois essais de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) ont été adaptés pour évaluer les différentes voies dans des cellules vivantes. Nos résultats montrent une sélectivité fonctionnelle importante parmi les agonistes évalués et ont une implication pour l’utilisation d’analogues de la PGE2 dans un contexte expérimental et possiblement clinique, puisque leur spectre d’activité diffère de l’agoniste naturel. La méthodologie basée sur le BRET utilisée lors de cette première évaluation systématique d’une série d’agonistes d’EP4 devrait être applicable à l’étude d’autres RCPG. Dans une deuxième étude, des peptides reproduisant des régions juxtamembranaires extracellulaires du récepteur EP4 ont été conçus selon le raisonnement que des peptides ciblant des régions éloignées du site de liaison du ligand naturel ont le potentiel de ne moduler qu’une partie des activités du récepteur. L’insuffisance rénale aiguë est une complication médicale grave caractérisée par un déclin brusque et soutenu de la fonction rénale et pour laquelle il n’y a pas de traitement efficace à l’heure actuelle. Nos résultats montrent que le peptidomimétique dérivé d’EP4 optimisé (THG213.29) améliore significativement les fonctions rénales et les changements histologiques dans une insuffisance rénale aiguë induite par cisplatine ou par occlusion des artères rénales dans des rats Sprague-Dawley. Le THG213.29 ne compétitionnait pas la liaison de la PGE2 à EP4, mais modulait la cinétique de dissociation de la PGE2, suggérant une liaison à un site allostérique d’EP4. Le THG213.29 démontrait une sélectivité fonctionnelle, puisqu’il inhibait partiellement la production d’AMPc induite par EP4 mais n’affectait pas l’activation de Gαi ou le recrutement de la ß-arrestine. Nos résultats indiquent que le THG213.29 représente une nouvelle classe d’agent diurétique possédant les propriétés d’un modulateur allostérique non-compétitif des fonctions du récepteur EP4 pour l’amélioration des fonctions rénales suite à une insuffisance rénale aiguë.

Structure quaternaire des récepteurs de chimiokines CXCR4 et CCR2 et interaction avec leurs effecteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'université Montpellier2 dans le laboratoire de pharmacologie moléculaire de Jean-Philippe Pin à l'institut de génomique fonctionnelle (IGF), Montpellier, France.

Étude de la relation entre les conformations et la signalisation des 7TMRs

L’interaction d’un ligand avec un récepteur à sept domaines transmembranaires (7TMR) couplé aux protéines G, mène à l’adoption de différentes conformations par le récepteur. Ces diverses conformations pourraient expliquer l’activation différentielle des voies de signalisation. Or, le lien entre la conformation et l’activité du récepteur n’est pas tout à fait claire. Selon les modèles classiques pharmacologiques, comme le modèle du complexe ternaire, il n’existe qu’un nombre limité de conformations qu’un récepteur peut adopter. Afin d’établir un lien entre la structure et la fonction des récepteurs, nous avons choisi dans un premier temps, le récepteur de chimiokine CXCR4 comme récepteur modèle. Ce dernier, est une cible thérapeutique prometteuse, impliqué dans l’entrée du VIH-1 dans les cellules cibles et dans la dissémination de métastases cancéreuses. Grâce au transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) nous pouvons détecter les changements conformationnels des homodimères constitutifs de CXCR4 dans les cellules vivantes. En conséquence, nous avons mesuré les conformations de mutants de CXCR4 dont les mutations affecteraient sa fonction. Nous montrons que la capacité des mutants à activer la protéine Galphai est altérée suite au traitement avec l’agoniste SDF-1. Notamment, ces mutations altèrent la conformation du récepteur à l’état basal ainsi que la réponse conformationnelle induite suite au traitement avec l’agoniste SDF-1, l’agoniste partiel AMD3100 ou l’agoniste inverse TC14012. Ainsi, différentes conformations de CXCR4 peuvent donner lieu à une activation similaire de la protéine G, ce qui implique une flexibilité des récepteurs actifs qui ne peut pas être expliquée par le modèle du complexe ternaire (Berchiche et al. 2007). Également, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CCR2, exprimé à la surface des cellules immunitaires. Il joue un rôle important dans l’inflammation et dans des pathologies inflammatoires telles que l’asthme. CCR2 forme des homodimères constitutifs et possède différents ligands naturels dont la redondance fonctionnelle a été suggérée. Nous avons étudié le lien entre les conformations et les activations d’effecteurs (fonctions) de CCR2. Notre hypothèse est que les différents ligands naturels induisent différentes conformations du récepteur menant à différentes fonctions. Nous montrons que les réponses de CCR2 aux différents ligands ne sont pas redondantes au niveau pharmacologique et que les chimiokines CCL8, CCL7 et CCL13 (MCP-2 à MCP-4) sont des agonistes partiels de CCR2, du moins dans les systèmes que nous avons étudiés. Ainsi, l’absence de redondance fonctionnelle parmi les chimiokines liant le même récepteur, ne résulterait pas de mécanismes complexes de régulation in vivo, mais ferait partie de leurs propriétés pharmacologiques intrinsèques (Berchiche et al. 2011). Enfin, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CXCR7. Récemment identifié, CXCR7 est le deuxième récepteur cible de la chimiokine SDF-1. Cette chimiokine a été considérée comme étant capable d’interagir uniquement avec le récepteur CXCR4. Notamment, CXCR4 et CXCR7 possèdent un patron d’expression semblable dans les tissus. Nous avons évalué l’effet de l’AMD3100, ligand synthétique de CXCR4, sur la conformation et la signalisation de CXCR7. Nos résultats montrent qu’AMD3100, tout comme SDF-1, lie CXCR7 et augmente la liaison de SDF-1 à CXCR7. Grâce au BRET, nous montrons aussi qu’AMD3100 seul est un agoniste de CXCR7 et qu’il est un modulateur allostérique positif de la liaison de SDF-1 à CXCR7. Aussi, nous montrons pour la première fois le recrutement de la beta-arrestine 2 à CXCR7 en réponse à un agoniste. L’AMD3100 est un ligand de CXCR4 et de CXCR7 avec des effets opposés, ce qui appelle à la prudence lors de l’utilisation de cette molécule pour l’étude des voies de signalisation impliquant SDF-1 (Kalatskaya et al. 2009). En conclusion, nos travaux amènent des évidences qu’il existe plusieurs conformations actives des récepteurs et appuient les modèles de structure-activité des récepteurs qui prennent en considération leur flexibilité conformationnelle.

Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

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.

Voies de signalisation non-canoniques du récepteur V2 de la vasopressine

Le récepteur V2 (V2R) de la vasopressine est un récepteur couplé aux protéines G (RCPG), jouant un rôle fondamental dans le maintien de l’homéostasie hydrosodique. À l’instar de nombreux RCPGs, il est capable d’interagir avec plusieurs types de protéines G hétérotrimériques et possède des voies de signalisation peu explorées aux mécanismes mal compris. Ces voies non canoniques font l’objet des travaux exposés dans ce mémoire. Il s’agit d’explorer les caractéristiques et mécanismes de la signalisation de V2R via G12, et de la voie d’activation d’ERK 1/2 par transactivation du récepteur de l’insulin-like growth factor 1, IGF1R. Par des études de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), nous exposons la capacité de V2R à interagir avec la sous-unité Gα12 ainsi que la modulation de la conformation de l’hétérotrimère G12 par l’agoniste de V2R, l’arginine-vasopressine. Ces travaux dévoilent également la modulation de l’interaction entre Gα12 et son effecteur classique RhoA, suggérant un engagement de RhoA, ainsi que la potentialisation via Gα12 de la production d’AMP cyclique. À l’aide de diverses méthodes d’inhibition sélective, nos résultats précisent les mécanismes de la transactivation. Ils supportent notamment le rôle initiateur de l’activation de Src par V2R et l’absence d’implication des ligands connus d’IGF1R dans la transactivation. La métalloprotéase MMP 3 apparaît par ailleurs comme un bon candidat pour réguler la transactivation. Ce projet met en lumière des modes de signalisation peu explorés de V2R, dont l’implication physiologique et physiopathologique pourrait s’avérer significative, au-delà d’un apport fondamental dans la compréhension de la signalisation des RCPGs.

Étude des mécanismes moléculaires impliquant l'homéoprotéine MEIS1 dans le développement de leucémies myéloïdes aigües

Les leucémies myéloïdes aigües résultent d’un dérèglement du processus de l’hématopoïèse et regroupent des maladies hétérogènes qui présentent des profils cliniques et génétiques variés. La compréhension des processus cellulaires responsables de l’initiation et du maintien de ces cancers permettrait de développer des outils thérapeutiques efficaces et ciblés. Au cours des dernières années, une quantité croissante d’anomalies génétiques reliées au développement de leucémies ont été corrélées à une expression anormale des gènes HOX et de leurs cofacteurs MEIS et PBX. Des modèles expérimentaux murins ont confirmé le rôle direct joué par ces protéines dans le développement de leucémies. En effet, la protéine MEIS1 collabore avec HOXA9 dans la leucémogenèse et requiert pour ce faire trois domaines distincts. Deux de ces domaines sont conservés chez PREP1, un membre de la même classe d’homéoprotéine que MEIS1. En utilisant une approche de gain-de-fonction, j’ai confirmé l’importance du rôle joué par le domaine C-terminal de MEIS1 dans l’accélération des leucémies induites par HOXA9. J’ai également montré que l’activité de ce domaine était corrélée avec une signature transcriptionnelle associée à la prolifération cellulaire. J’ai ensuite réalisé un criblage à haut débit afin d’identifier des antagonistes de l’interaction MEIS-PBX, également essentielle à l’accélération des leucémies HOX. À cette fin, j’ai développé un essai de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permettant de détecter la dimérisation MEIS-PBX dans les cellules vivantes. Plus de 115 000 composés chimiques ont été testés et suite à une confirmation par un essai orthogonal, une vingtaine de molécules ont été identifiées comme inhibiteurs potentiels. Ces composés pourront être rapidement testés sur la prolifération de cellules leucémiques primaires dans un contexte d’étude préclinique. Finalement, deux approches protéomiques complémentaires ont permis d’identifier des partenaires potentiels de MEIS1 et PREP1. La catégorisation fonctionnelle de ces candidats suggère un nouveau rôle pour ces homéoprotéines dans l’épissage de l’ARN et dans la reconnaissance de l’ADN méthylé.

The Independence of CXCR4’s Pathways, Gαi and β-Arrestin2, and Their Modulation by AMD3100 and TC14012

CXCR4, a chemokine receptor involved in metastasis and homing of hematopoietic stem cells, signals through two major pathways: Gαi and β-arrestin2. β-arrestin2 terminates G-protein signaling and targets the receptor to endocytosis. This project proposed to study the effect of a previously described set of CXCR4 mutants on both these signaling pathways, as well as their localization. These mutants were assayed by different Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) systems. Using these systems, we confirmed that N119S is a constitutively active mutant (CAM), spontaneously activating Gαi. As well, we found that R134A is a constitutively inactive mutant (CIM), devoided of G-protein signaling, but spontaneously recruiting β-arrestin2. In addition, we studied the dependency of β-arrestin2 recruitment on the Gαi activity. By targeting R134A and N119S with pertussis toxin, an inhibitor of the Gαi activation, we showed efficient blocking of the Gαi pathway, while maintaining the constitutive recruitment of β-arrestin2. This demonstrated that for CXCR4, β-arrestin2 recruitment is independent of the Gαi pathway. Finally, two synthetic ligands of CXCR4, AMD3100 and TC14012 were tested for their ability to recruit β-arrestin2. AMD3100 is a clinically approved drug used for stem cell transplantation, with considerable side effects. We found it to be an antagonist on both Gαi and β-arrestin2 recruitment. On the other hand, TC14012 was found to be an inverse agonist on Gαi and an antagonist on β-arrestin2 recruitment. Based on this finding, it would be preferable to use of TC14012 as it will further reduce any basal Gαi activity, without affecting β-arrestin2 recruitment. These results support the development of TC14012 for stem cell mobilization trials.

CXCR3 biased signaling, heteromerization and decoy properties

Le récepteur de chimiokine CXCR3 est un récepteur couplé à la protéine G (RCPG) exprimé, entre autre, sur les cellules T activées lors d’une réponse immune. CXCR3 est activé par trois ligands inductibles par l’interféron-γ (CXCL9, 10, 11) et, plus récemment, il a été découvert que CXCL4 liait CXCR3. Nous savons que CXCR3 joue un rôle dans la chimiotaxie des leucocytes, mais peu d’attention a été portée sur la signalisation biaisée induite par ces quatre ligands. Alors que l’homodimérisation entre récepteurs de chimiokine est un concept grandement observé, l’hétéromérisation entre deux récepteurs reste un domaine de recherche active. La signalisation biaisée et l’hétéromérisation ont été testées grâce à la technique de bioluminescene resonance energy transfer (BRET) dans des cellules HEK293E. Nous présentons une caractérisation pharmacologique des quatre ligands de CXCR3 et démontrons l’hétéromérisation de CXCR3 avec CXCR4 et avec CXCR7. Nos résultats suggèrent que les ligands de CXCR3 n’agissent pas de manière redondante.

Biomolecular interaction analysis in functional proteomics

In der funktionellen Proteomforschung werden bekannte Interaktionen eines zellulären Netzwerkes qualitativ untersucht. Diese Veröffentlichung beschreibt verschiedene biomolekulare Interaktionsanalysen, anhand des Modellsystems PKA, die zur detaillierten Charakterisierung von Bindungen herangezogen werden können. Neben den Gleichgewichtsbindungsdaten (generiert aus AlphaScreen, FP, SPR und ITC Messungen) wurden aus ITC Messungen die thermodynamischen Parameter G, H und S ermittelt. Durch Anwendung der BRET2 (Bioluminescence resonance energy transfer) Methode konnten in lebenden Zellen Aussagen über Bindungsereignisse und deren Lokalisation getroffen werden.

The bile acid receptor TGR5 does not interact with β-arrestins or traffic to endosomes but transmits sustained signals from plasma membrane rafts.

TGR5 is a G protein-coupled receptor that mediates bile acid (BA) effects on energy balance, inflammation, digestion and sensation. The mechanisms and spatiotemporal control of TGR5 signaling are poorly understood. We investigated TGR5 signaling and trafficking in transfected HEK293 cells and colonocytes (NCM460) that endogenously express TGR5. BAs (deoxycholic acid, DCA, taurolithocholic acid, TLCA) and the selective agonists oleanolic acid (OA) and 3-(2-chlorophenyl)-N-(4-chlorophenyl)-N, 5-dimethylisoxazole-4-carboxamide (CCDC) stimulated cAMP formation but did not induce TGR5 endocytosis or recruitment of β-arrestins, assessed by confocal microscopy. DCA, TLCA and OA did not stimulate TGR5 association with β-arrestin 1/2 or G protein-coupled receptor kinase (GRK) 2/5/6, determined by bioluminescence resonance energy transfer. CCDC stimulated a low level of TGR5 interaction with β-arrestin2 and GRK2. DCA induced cAMP formation at the plasma membrane and cytosol, determined using exchange factor directly regulated by cAMP (Epac2)-based reporters, but cAMP signals did not desensitize. AG1478, an inhibitor of epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase, the metalloprotease inhibitor batimastat, and methyl-β-cyclodextrin and filipin, which block lipid raft formation, prevented DCA stimulation of extracellular signal regulated kinase (ERK1/2). BRET analysis revealed TGR5 and EGFR interactions that were blocked by disruption of lipid rafts. DCA stimulated TGR5 redistribution to plasma membrane microdomains, localized by immunogold electron microscopy. Thus, TGR5 does not interact with β-arrestins, desensitize or traffic to endosomes. TGR5 signals from plasma membrane rafts that facilitate EGFR interaction and transactivation. An understanding of the spatiotemporal control of TGR5 signaling provides insights into the actions of BAs and therapeutic TGR5 agonists/antagonists.

Time-resolved random laser spectroscopy of inhomogeneously broadened systems

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Thoughts on the diversity of convergent evolution of bioluminescence on earth

The widespread independent evolution of analogous bioluminescent systems is one of the most impressive and diverse examples of convergent evolution on earth. There are roughly 30 extant bioluminescent systems that have evolved independently on Earth, with each system likely having unique enzymes responsible for catalysing the bioluminescent reaction. Bioluminescence is a chemical reaction involving a luciferin molecule and a luciferase or photoprotein that results in the emission of light. Some independent systems utilize the same luciferin, such as the use of tetrapyrrolic compounds by krill and dinoflagellates, and the wide use of coelenterazine by marine organisms, while the enzymes involved are unique. One common thread among all the different bioluminescent systems is the requirement of molecular oxygen. Bioluminescence is found in most forms of life, especially marine organisms. Bioluminescence in known to benefit the organism by: attraction, repulsion, communication, camouflage, and illumination. The marine ecosystem is significantly affected by bioluminescence, the only light found in the pelagic zone and below is from bioluminescent organisms. Transgenic bioluminescent organisms have revolutionized molecular research, medicine and the biotechnology industry. The use of bioluminescence in studying molecular pathways and disease allows for non-invasive and real-time analysis. Bioluminescence-based assays have been developed for several analytes by coupling luminescence to many enzyme-catalysed reactions. Received 17 February 2012, accepted 27 March 2012, first published online 2 May 2012

AMPA RECEPTOR ALLOSTERISM: MEASUREMENT OF THE CONFORMATIONAL CHANGES IN THE LIGAND BINDING DOMAIN OF A FUNCTIONAL RECEPTOR

Ionotropic glutamate receptors are important excitatory neurotransmitter receptors in the mammalian central nervous system that have been implicated in a number of neuropathologies such as epilepsy, ischemia, and amyotrophic lateral sclerosis. Glutamate binding to an extracellular ligand binding domain initiates a series of structural changes that leads to the formation of a cation selective transmembrane channel, which consequently closes due to desensitization of the receptor. The crystal structures of the AMPA subtype of the glutamate receptor have been particularly useful in providing initial insight into the conformational changes in the ligand binding domain; however, these structures are limited by crystallographic constraint. To gain a clear picture of how agonist binding is coupled to channel activation and desensitization, it is essential to study changes in the ligand binding domain in a dynamic, physiological state. In this dissertation, a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer was used to determine the conformational changes associated with activation and desensitization in a functional AMPA receptor (ÄN*-AMPA) that contains the ligand binding domain and transmembrane segments; ÄN*-AMPA has been modified such that fluorophores can be introduced at specific sites to serve as a readout of cleft closure or to establish intersubunit distances. Previous structural studies of cleft closure of the isolated ligand binding domain in conjunction with functional studies of the full receptor suggest that extent of cleft closure correlates with extent of activation. Here, LRET has been used to show that a similar relationship between cleft closure and activation is observed in the “full length” receptor showing that the isolated ligand binding domain is a good model of the domain in the full length receptor for changes within a subunit. Similar LRET investigations were used to study intersubunit distances specifically to probe conformational changes between subunits within a dimer in the tetrameric receptor. These studies show that the dimer interface is coupled in the open state, and decoupled in the desensitized state, similar to the isolated ligand binding domain crystal structure studies. However, we show that the apo state dimer interface is not pre-formed as in the crystal structure, hence suggesting a mechanism for functional transitions within the receptor based on LRET distances obtained.

CONFORMATIONAL CHANGES IN THE EXTRACELLULAR DOMAIN OF GLUTAMATE RECEPTORS

The family of membrane protein called glutamate receptors play an important role in the central nervous system in mediating signaling between neurons. Glutamate receptors are involved in the elaborate game that nerve cells play with each other in order to control movement, memory, and learning. Neurons achieve this communication by rapidly converting electrical signals into chemical signals and then converting them back into electrical signals. To propagate an electrical impulse, neurons in the brain launch bursts of neurotransmitter molecules like glutamate at the junction between neurons, called the synapse. Glutamate receptors are found lodged in the membranes of the post-synaptic neuron. They receive the burst of neurotransmitters and respond by fielding the neurotransmitters and opening ion channels. Glutamate receptors have been implicated in a number of neuropathologies like ischemia, stroke and amyotrophic lateral sclerosis. Specifically, the NMDA subtype of glutamate receptors has been linked to the onset of Alzheimer’s disease and the subsequent degeneration of neuronal cells. While crystal structures of AMPA and kainate subtypes of glutamate receptors have provided valuable information regarding the assembly and mechanism of activation; little is known about the NMDA receptors. Even the basic question of receptor assembly still remains unanswered. Therefore, to gain a clear understanding of how the receptors are assembled and how agonist binding gets translated to channel opening, I have used a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET). LRET offers the unique advantage of tracking large scale conformational changes associated with receptor activation and desensitization. In this dissertation, LRET, in combination with biochemical and electrophysiological studies, were performed on the NMDA receptors to draw a correlation between structure and function. NMDA receptor subtypes GluN1 and GluN2A were modified such that fluorophores could be introduced at specific sites to determine their pattern of assembly. The results indicated that the GluN1 subunits assembled across each other in a diagonal manner to form a functional receptor. Once the subunit arrangement was established, this was used as a model to further examine the mechanism of activation in this subtype of glutamate receptor. Using LRET, the correlation between cleft closure and activation was tested for both the GluN1 and GluN2A subunit of the NMDA receptor in response to agonists of varying efficacies. These investigations revealed that cleft closure plays a major role in the mechanism of activation in the NMDA receptor, similar to the AMPA and kainate subtypes. Therefore, suggesting that the mechanism of activation is conserved across the different subtypes of glutamate receptors.