Regulatory roles of microtubule-associated proteins in neuronal morphogenesis. Involvement of the extracellular matrix

As a result of recent investigations, the cytoskeleton can be viewed as a cytoplasmic system of interconnected filaments with three major integrative levels: self-assembling macromolecules, filamentous polymers, e.g., microtubules, intermediate filaments and actin filaments, and supramolecular structures formed by bundles of these filaments or networks resulting from cross-bridges between these major cytoskeletal polymers. The organization of this biological structure appears to be sensitive to fine spatially and temporally dependent regulatory signals. In differentiating neurons, regulation of cytoskeleton organization is particularly relevant, and the microtubule-associated protein (MAP) tau appears to play roles in the extension of large neuritic processes and axons as well as in the stabilization of microtubular polymers along these processes. Within this context, tau is directly involved in defining neuronal polarity as well as in the generation of neuronal growth cones. There is increasing evidence that elements of the extracellular matrix contribute to the control of cytoskeleton organization in differentiating neurons, and that these regulations could be mediated by changes in MAP activity. In this brief review, we discuss the possible roles of tau in mediating the effects of extracellular matrix components on the internal cytoskeletal arrays and its organization in growing neurons.

Adhesion of the human pathogen Sporothrix schenckii to several extracellular matrix proteins

The pathogenic fungus Sporothrix schenckii is the causative agent of sporotrichosis. This subcutaneous mycosis may disseminate in immunocompromised individuals and also affect several internal organs and tissues, most commonly the bone, joints and lung. Since adhesion is the first step involved with the dissemination of pathogens in the host, we have studied the interaction between S. schenckii and several extracellular matrix (ECM) proteins. The binding of two morphological phases of S. schenckii, yeast cells and conidia, to immobilized type II collagen, laminin, fibronectin, fibrinogen and thrombospondin was investigated. Poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (poly-HEMA) was used as the negative control. Cell adhesion was assessed by ELISA with a rabbit anti-S. schenckii antiserum. The results indicate that both morphological phases of this fungus can bind significantly to type II collagen, fibronectin and laminin in comparison to the binding observed with BSA (used as blocking agent). The adhesion rate observed with the ECM proteins (type II collagen, fibronectin and laminin) was statistically significant (P<0.05) when compared to the adhesion obtained with BSA. No significant binding of conidia was observed to either fibrinogen or thrombospondin, but yeast cells did bind to the fibrinogen. Our results indicate that S. schenckii can bind to fibronectin, laminin and type II collagen and also show differences in binding capacity according to the morphological form of the fungus.

The calcium-modulated proteins, S100A1 and S100B, as potential regulators of the dynamics of type III intermediate filaments

The Ca2+-modulated, dimeric proteins of the EF-hand (helix-loop-helix) type, S100A1 and S100B, that have been shown to inhibit microtubule (MT) protein assembly and to promote MT disassembly, interact with the type III intermediate filament (IF) subunits, desmin and glial fibrillary acidic protein (GFAP), with a stoichiometry of 2 mol of IF subunit/mol of S100A1 or S100B dimer and an affinity of 0.5-1.0 µM in the presence of a few micromolar concentrations of Ca2+. Binding of S100A1 and S100B results in inhibition of desmin and GFAP assemblies into IFs and stimulation of the disassembly of preformed desmin and GFAP IFs. S100A1 and S100B interact with a stretch of residues in the N-terminal (head) domain of desmin and GFAP, thereby blocking the head-to-tail process of IF elongation. The C-terminal extension of S100A1 (and, likely, S100B) represents a critical part of the site that recognizes desmin and GFAP. S100B is localized to IFs within cells, suggesting that it might have a role in remodeling IFs upon elevation of cytosolic Ca2+ concentration by avoiding excess IF assembly and/or promoting IF disassembly in vivo. S100A1, that is not localized to IFs, might also play a role in the regulation of IF dynamics by binding to and sequestering unassembled IF subunits. Together, these observations suggest that S100A1 and S100B may be regarded as Ca2+-dependent regulators of the state of assembly of two important elements of the cytoskeleton, IFs and MTs, and, potentially, of MT- and IF-based activities.

Alterations in proteins of bone marrow extracellular matrix in undernourished mice

The objective of the present study was to determine the effect of protein malnutrition on the glycoprotein content of bone marrow extracellular matrix (ECM). Two-month-old male Swiss mice were submitted to protein malnutrition with a low-protein diet containing 4% casein as compared to 20% casein in the control diet. When the experimental group had attained a 20% loss of their original body weight, we extracted the ECM proteins from bone marrow with PBS buffer, and analyzed ECM samples by SDS-PAGE (7.5%) and ECL Western blotting. Quantitative differences were observed between control and experimental groups. Bone marrow ECM from undernourished mice had greater amounts of extractable fibronectin (1.6-fold increase) and laminin (4.8-fold increase) when compared to the control group. These results suggest an association between fluctuations in the composition of the hematopoietic microenvironment and altered hematopoiesis observed in undernourished mice.

The eukaryotic Pso2/Snm1/Artemis proteins and their function as genomic and cellular caretakers

DNA double-strand breaks (DSBs) represent a major threat to the genomic stability of eukaryotic cells. DNA repair mechanisms such as non-homologous end joining (NHEJ) are responsible for the maintenance of eukaryotic genomes. Dysfunction of one or more of the many protein complexes that function in NHEJ can lead to sensitivity to DNA damaging agents, apoptosis, genomic instability, and severe combined immunodeficiency. One protein, Pso2p, was shown to participate in the repair of DSBs induced by DNA inter-strand cross-linking (ICL) agents such as cisplatin, nitrogen mustard or photo-activated bi-functional psoralens. The molecular function of Pso2p in DNA repair is unknown, but yeast and mammalian cell line mutants for PSO2 show the same cellular responses as strains with defects in NHEJ, e.g., sensitivity to ICLs and apoptosis. The Pso2p human homologue Artemis participates in V(D)J recombination. Mutations in Artemis induce a variety of immunological deficiencies, a predisposition to lymphomas, and an increase in chromosomal aberrations. In order to better understand the role of Pso2p in the repair of DSBs generated as repair intermediates of ICLs, an in silico approach was used to characterize the catalytic domain of Pso2p, which led to identification of novel Pso2p homologues in other organisms. Moreover, we found the catalytic core of Pso2p fused to different domains. In plants, a specific ATP-dependent DNA ligase I contains the catalytic core of Pso2p, constituting a new DNA ligase family, which was named LIG6. The possible functions of Pso2p/Artemis/Lig6p in NHEJ and V(D)J recombination and in other cellular metabolic reactions are discussed.

Isolation and intracellular localization of insulin-like proteins from leaves of Bauhinia variegata

Evidence based on immunological cross-reactivity and anti-diabetic properties has suggested the presence of insulin-like peptides in plants. The objective of the present study was to investigate the presence of insulin-like proteins in the leaves of Bauhinia variegata ("pata-de-vaca", "mororó"), a plant widely utilized in popular medicine as an anti-diabetic agent. We show that an insulin-like protein was present in the leaves of this plant. A chloroplast protein with a molecular mass similar to that of bovine insulin was extracted from 2-mm thick 15% SDS-PAGE gels and fractionated with a 2 x 24 cm Sephadex G-50 column. The activity of this insulin-like protein (0.48 mg/mL) on serum glucose levels of four-week-old Swiss albino (CF1) diabetic mice was similar to that of commercial swine insulin used as control. Further characterization of this molecule by reverse-phase hydrophobic HPLC chromatographic analysis as well as its antidiabetic activity on alloxan-induced mice showed that it has insulin-like properties. Immunolocalization of the insulin-like protein in the leaves of B. variegata was performed by transmission electron microscopy using a polyclonal anti-insulin human antibody. Localization in the leaf blades revealed that the insulin-like protein is present mainly in chloroplasts where it is also found associated with crystals which may be calcium oxalate. The presence of an insulin-like protein in chloroplasts may indicate its involvement in carbohydrate metabolism. This finding has strengthened our previous results and suggests that insulin-signaling pathways have been conserved through evolution.

Effects of systemic administration of ciliary neurotrophic factor on Bax and Bcl-2 proteins in the lumbar spinal cord of neonatal rats after sciatic nerve transection

Ciliary neurotrophic factor (CNTF) is a cytokine that plays a neuroprotective role in relation to axotomized motoneurons. We determined the effect of daily subcutaneous doses of CNTF (1.2 µg/g for 5 days; N = 13) or PBS (N = 13) on the levels of mRNA for Bcl-2 and Bax, as well as the expression and inter-association of Bcl-2 and Bax proteins, and the survival of motoneurons in the spinal cord lumbar enlargement of 2-day-old Wistar rats after sciatic nerve transection. Five days after transection, the effects were evaluated on histological and molecular levels using Nissl staining, immunoprecipitation, Western blot analysis, and reverse transcriptase-polymerase chain reaction. The motoneuron survival ratio, defined as the ratio between the number of motoneurons counted on the lesioned side vs those on the unlesioned side, was calculated. This ratio was 0.77 ± 0.02 for CNTF-treated rats vs 0.53 ± 0.02 for the PBS-treated controls (P < 0.001). Treatment with CNTF modified the level of mRNA, with the expression of Bax RNA decreasing 18% (with a consequent decrease in the level of Bax protein), while the expression of Bcl-2 RNA was increased 87%, although the level of Bcl-2 protein was unchanged. The amount of Bcl-2/Bax heterodimer increased 91% over that found in the PBS-treated controls. These data show, for the first time, that the neuroprotective effect of CNTF on neonatal rat axotomized motoneurons is associated with a reduction in free Bax, due to the inhibition of Bax expression, as well as increased Bcl-2/Bax heterodimerization. Thus, the neuroprotective action of the CNTF on axotomized motoneurons can be related to the inhibition of this apoptotic pathway.

Proteomic analysis of cytosolic proteins associated with petite mutations in Candida glabrata

The incidence of superficial or deep-seated infections due to Candida glabrata has increased markedly, probably because of the low intrinsic susceptibility of this microorganism to azole antifungals and its relatively high propensity to acquire azole resistance. To determine changes in the C. glabrata proteome associated with petite mutations, cytosolic extracts from an azole-resistant petite mutant of C. glabrata induced by exposure to ethidium bromide, and from its azole-susceptible parent isolate were compared by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. Proteins of interest were identified by peptide mass fingerprinting or sequence tagging using a matrix-assisted laser desorption/ionization tandem time-of-flight mass spectrometer. Tryptic peptides from a total of 160 Coomassie-positive spots were analyzed for each strain. Sixty-five different proteins were identified in the cytosolic extracts of the parent strain and 58 in the petite mutant. Among the proteins identified, 10 were higher in the mutant strain, whereas 23 were lower compared to the parent strain. The results revealed a significant decrease in the enzymes associated with the metabolic rate of mutant cells such as aconitase, transaldolase, and pyruvate kinase, and changes in the levels of specific heat shock proteins. Moreover, transketolase, aconitase and catalase activity measurements decreased significantly in the ethidium bromide-induced petite mutant. These data may be useful for designing experiments to obtain a better understanding of the nuclear response to impairment of mitochondrial function associated with this mutation in C. glabrata.

ACE-I inhibitory properties of hydrolysates from germinated and ungerminated Phaseolus lunatus proteins

Phaseolus lunatus protein concentrates and the proteases Alcalase(R) and Pepsin-Pancreatin were used for the production of protein hydrolysates that inhibit angiotensin-I converting enzyme (ACE). Protein concentrate obtained from germinated and ungerminated seeds flour was hydrolyzed with Alcalase(R) at enzyme/substrate ratio (E/S) 1/10 and during 0.5 and 2.0 h, respectively. On the other hand, protein concentrate obtained from ungerminated (E/S: 1/10) and germinated (E/S: 1/50) seeds flour was sequentially hydrolyzed with Pepsin-Pancreatin during 1.0 and 3.0 h, respectively. Peptide fractions with ACE inhibitory activity in a range of 0.9 to 3.8 µg/mL were obtained by G-50 gel filtration chromatography and high- performance liquid chromatography C18 reverse phase chromatography. The observed amino acid composition suggests a substantial contribution of hydrophobic residues to the peptides’ inhibitory potency, which potentially acts via blocking of angiotensin II production. These results show that P. lunatus seed proteins are a potential source of ACE inhibitory peptides when hydrolyzed with Alcalase(R) and Pepsin-Pancreatin.

Modulation de la voie de signalisation de Gαq par l’hyperglycémie : mécanisme moléculaire

Les complications vasculaires telles que l’augmentation de la contractilité et la prolifération cellulaire sont les complications les plus communes observées dans le diabète et l’hyperglycémie chronique est un facteur important dans ces processus. La voie de signalisation de Gαq joue un rôle important dans la régulation du tonus vasculaire et l’altération de celle-ci peut contribuer aux complications vasculaires observées dans les cas de diabète et d’hyperglycémie. Il a été observé que les taux et l’activité des protéines kinase C (PKC) et du diacylglycérol (DAG) sont augmentés dans ces conditions. Cependant, aucune étude n’a démontré l’implication de Gαq/11 et des PLCβ, molécules de signalisation en amont de PKC/DAG. Plusieurs études révèlent que l’augmentation des taux et de l’activité des PKC et du DAG induite par l’hyperglycémie dans des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) est attribuée à l’augmentation du stress oxydatif. De plus, les niveaux de certains peptides vasoactifs, tels que l’angiotensine II et l’endothéline-1, augmentés dans les conditions de diabète/d’hyperglycémie, peuvent contribuer à l’augmentation du stress oxydatif observée. Le travail présenté dans cette thèse avait pour but d’examiner les effets de l’hyperglycémie sur les niveaux d’expression protéique de Gαq/11 et de ses molécules associées, ainsi que d’étudier le mécanisme moléculaire par lequel l’hyperglycémie module la voie de signalisation de Gαq dans les CMLV. Dans la première étude, nous avons examiné si l’hyperglycémie pouvait moduler l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ1 et PLCβ2. Le prétraitement des CMLV A10 avec 26 mM de glucose durant 72 heures augmente l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 en comparaison avec les CMLV témoins. Le traitement avec des antagonistes aux récepteurs AT1 de l’Ang II, et ETA/ETB de l’ET-1, atténue la hausse de Gαq, de Gα11, de PLCβ1 et de PLCβ2 induite par l’hyperglycémie. De plus, la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 était plus élevée dans les CMLV exposée à 26 mM de glucose. Le traitement des CMLV A10 avec l’Ang II et l’ET-1 augmente également les niveaux d’expression des protéines Gα q/11 et PLCβ. Cette augmentation de l’expression est restaurée au niveau des CMLV témoins par les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ dans les CMLV induite par l’hyperglycémie est attribuée à l’activation des récepteurs AT1, ETA et ETB. Dans la seconde étude, nous avons examiné l’implication du stress oxydatif dans l’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. Nous avons également déterminé le mécanisme responsable de l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie. L’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ des CMLV A10 exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec l’antioxydant diphenyleneiodonium (DPI), et la catalase, un chélateur du peroxyde d’hydrogène, mais pas par le 111Mn-tetralis(benzoic acid porphyrin) (MnTBAP) ni par l’acide urique, des chélateurs du peroxynitrite. De plus, l’augmentation de la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 dans les CMLV exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec le DPI et la catalase. Ces résultats suggèrent que l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie contribue à l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq. De plus, l’augmentation de la production d’anion superoxyde (O2-), de l’activité de la NADPH oxydase et de l’expression des protéines p22(phox) et p47(phox) induite par l’hyperglycémie est revenue à un niveau basal après un traitement avec les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’hyperglycémie augmente les niveaux endogènes de l’Ang II et de l’ET-1, ce qui augmente le stress oxydatif par la formation d’O2- et de H2O2 et peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gq/11α et de leurs molécules de signalisation. Puisqu’il a été observé que l’hyperglycémie transactive les récepteurs aux facteurs de croissance tels que le récepteur au facteur de croissance épidermique (EGF-R) et le récepteur au facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF-R), nous avons entrepris d’examiner, dans la troisième étude, l’implication d’EGF-R et de PDGF-R dans l’augmentation des niveaux de Gαq/11, de PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. L’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 induite par l’hyperglycémie est revenue au niveau basal après un traitement avec les inhibiteurs d’EGF-R (AG1478) et de PDGF-R (AG1295) et par l’inhibiteur de c-Src, PP2. L’augmentation de la phosphorylation d’EGF-R et de PDGF-R induite par l’hyperglycémie a été abolie par AG1478, AG1295 et PP2. De plus, l’augmentation des niveaux de Gαq/11, et de PLCβ induite par l’hyperglycémie est atténuée par l’inhibiteur des MAPK, le PD98059, et par l’inhibiteur d’AKT, le wortmannin. L’augmentation de la phosphorylation d’ERK et d’AKT était également atténuée par AG1478 et AG1295. Ces résultats suggèrent que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par c-Src peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gα q/11/PLC et de leur signalisation par la voie des MAPK/PI3K. En conclusion, les études présentées dans cette thèse indiquent que l’hyperglycémie augmente les niveaux de Gαq/11 et de PLCβ. Nous avons émis des évidences qui démontrent que l’augmentation endogène de l’Ang II et de l’ET-1 par l’hyperglycémie peut contribuer à l’augmentation de la production d’O2- et de H2O2 résultant ainsi en une augmentation du stress oxydatif qui pourrait être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et de leur signalisation dans les conditions d’hyperglycémie. Finalement, nous avons démontré que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par l’hyperglycémie peut être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq dans les cas de diabète et d’hyperglycémie.

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

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.

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.

Effect of knockdown of Giα proteins using antisense oligodeoxynucleotides encapsulated in cationic liposomes on the development of hypertension in spontaneously hypertensive rats

L'hypertension artérielle est l'une des principales causes de morbidité et de mortalité dans le monde. La compréhension des mécanismes qui sont à la base du développement de l'hypertension offrira de nouvelles perspectives pour un meilleur contrôle de l'hypertension. Nous avons précédemment montré que le niveau des protéines Giα-2 et Giα-3 est augmenté chez les rats spontanément hypertendus (SHR) avant l'apparition de l'hypertension. Le traitement avec les inhibiteurs de l’enzyme de conversion de l’Angiotensine (IEC) est associé à une diminution de l’expression des protéines Gi. De plus, l'injection intrapertoneale de la toxine de la coqueluche inactive les deux protéines Giα et empêche le développement de l'hypertension chez les SHR. Cependant, la contribution spécifique des protéines Giα-2 et Giα-3 dans le développement de l'hypertension n'est pas encore connue. Dans la présente étude, l’Anti-sens oligodésoxynucléotide (AS-ODN) de Giα-2 et Giα-3 (1mg/Kg en poids corporel) encapsulé dans des liposomes cationiques PEG / DOTAP/ DOPE ont été administrés par voie intraveineuse aux SHR pré-hypertendus âgé de trois semaines et aux Wistar Kyoto (WKY) rats de même âge. Les contrôles des WKY et SHR non traités ont été injectés avec du PBS stérile, liposomes vides ou oligomères sens. La pression artérielle (PA) a été suivie chaque semaine en utilisant la technique manchon caudal. Les rats ont été sacrifiés à l'âge de six semaines et neuf semaines. Le coeur et l'aorte ont été utilisés pour étudier l'expression des protéines Gi. Le knockdown des protéines Giα-2 par l’injection de Giα-2-AS a empêché le développement de l'hypertension à l'âge de six semaines. Par la suite, la PA a commencé à augmenter rapidement et a atteint le niveau que l'on retrouve dans les groupes témoins à l'âge de neuf semaines. D'autre part, la PA du groupe traité avec le Giα-3-AS a commencé à augmenter à l'âge de quatre semaines. Dans le groupe des SHR-Giα-3-AS, la PA a augmenté à l’âgé de six semaines, mais moins que celle de SHR-CTL. Le coeur et l'aorte obtenues des SHR Giα-2-AS et Giα-3-AS à partir de l’âgé de six semaines ont eu une diminution significative de l’expression des protéines Giα-2 et Giα-3 respectivement. Dans le groupe des WKY Giα-2-AS et Giα-3-AS l'expression des protéines Giα-2 et Giα-3 respectivement a diminué malgré l'absence de changement dans la PA par rapport aux WKY CTL. À l'âge de neuf semaines, les SHR traités avec du Giα-2-AS et Giα-3-AS avaient la même PA et expression des protéines Gi que le SHR CTL. Ces résultats suggèrent que les deux protéines Giα-2 et Giα-3 sont impliqués dans le développement de l'hypertension chez les SHR, mais le knockdown de Giα-2 et pas de Giα-3 a empêché le développement de l'hypertension.