Manipulation of energy transfer processes in nanochannels

The realisation of molecular assemblies featuring specific macroscopic properties is a prime example for the versatility of supramolecular organisation. Microporous materials such as zeolite L are well suited for the preparation of host-guest composites containing dyes, complexes, or clusters. This short tutorial focuses on the possibilities offered by zeolite L to study and influence Förster resonance energy transfer inside of its nanochannels. The highly organised host-guest materials can in turn be structured on a larger scale to form macroscopic patterns, making it possible to create large-scale structures from small, highly organised building blocks for novel optical applications.

Fluorescence energy transfer detection as a homogeneous DNA diagnostic method

A homogeneous DNA diagnostic assay based on template-directed primer extension detected by fluorescence resonance energy transfer, named template-directed dye-terminator incorporation (TDI) assay, has been developed for mutation detection and high throughput genome analysis. Here, we report the successful application of the TDI assay to detect mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene, the human leukocyte antigen H (HLA-H) gene, and the receptor tyrosin kinase (RET) protooncogene that are associated with cystic fibrosis, hemochromatosis, and multiple endocrine neoplasia, type 2, respectively. Starting with total human DNA, the samples are amplified by the PCR followed by enzymatic degradation of excess primers and deoxyribonucleoside triphosphates before the primer extension reaction is performed. All these standardized steps are performed in the same tube, and the fluorescence changes are monitored in real time, making it a useful clinical DNA diagnostic method.

The ghrelin receptor isoforms (GHS-R1a and GHS-R1b) and GPR39 : an investigation into receptor dimerisation

Prostate cancer is the second most common cause of cancer-related deaths in Western males. Current diagnostic, prognostic and treatment approaches are not ideal and advanced metastatic prostate cancer is incurable. There is an urgent need for improved adjunctive therapies and markers for this disease. GPCRs are likely to play a significant role in the initiation and progression of prostate cancer. Over the last decade, it has emerged that G protein coupled receptors (GPCRs) are likely to function as homodimers and heterodimers. Heterodimerisation between GPCRs can result in the formation of novel pharmacological receptors with altered functional outcomes, and a number of GPCR heterodimers have been implicated in the pathogenesis of human disease. Importantly, novel GPCR heterodimers represent potential new targets for the development of more specific therapeutic drugs. Ghrelin is a 28 amino acid peptide hormone which has a unique n-octanoic acid post-translational modification. Ghrelin has a number of important physiological roles, including roles in appetite regulation and the stimulation of growth hormone release. The ghrelin receptor is the growth hormone secretagogue receptor type 1a, GHS-R1a, a seven transmembrane domain GPCR, and GHS-R1b is a C-terminally truncated isoform of the ghrelin receptor, consisting of five transmembrane domains. Growing evidence suggests that ghrelin and the ghrelin receptor isoforms, GHS-R1a and GHS-R1b, may have a role in the progression of a number of cancers, including prostate cancer. Previous studies by our research group have shown that the truncated ghrelin receptor isoform, GHS-R1b, is not expressed in normal prostate, however, it is expressed in prostate cancer. The altered expression of this truncated isoform may reflect a difference between a normal and cancerous state. A number of mutant GPCRs have been shown to regulate the function of their corresponding wild-type receptors. Therefore, we investigated the potential role of interactions between GHS-R1a and GHS-R1b, which are co-expressed in prostate cancer and aimed to investigate the function of this potentially new pharmacological receptor. In 2005, obestatin, a 23 amino acid C-terminally amidated peptide derived from preproghrelin was identified and was described as opposing the stimulating effects of ghrelin on appetite and food intake. GPR39, an orphan GPCR which is closely related to the ghrelin receptor, was identified as the endogenous receptor for obestatin. Recently, however, the ability of obestatin to oppose the effects of ghrelin on appetite and food intake has been questioned, and furthermore, it appears that GPR39 may in fact not be the obestatin receptor. The role of GPR39 in the prostate is of interest, however, as it is a zinc receptor. Zinc has a unique role in the biology of the prostate, where it is normally accumulated at high levels, and zinc accumulation is altered in the development of prostate malignancy. Ghrelin and zinc have important roles in prostate cancer and dimerisation of their receptors may have novel roles in malignant prostate cells. The aim of the current study, therefore, was to demonstrate the formation of GHS-R1a/GHS-R1b and GHS-R1a/GPR39 heterodimers and to investigate potential functions of these heterodimers in prostate cancer cell lines. To demonstrate dimerisation we first employed a classical co-immunoprecipitation technique. Using cells co-overexpressing FLAG- and Myc- tagged GHS-R1a, GHS-R1b and GPR39, we were able to co-immunoprecipitate these receptors. Significantly, however, the receptors formed high molecular weight aggregates. A number of questions have been raised over the propensity of GPCRs to aggregate during co-immunoprecipitation as a result of their hydrophobic nature and this may be misinterpreted as receptor dimerisation. As we observed significant receptor aggregation in this study, we used additional methods to confirm the specificity of these putative GPCR interactions. We used two different resonance energy transfer (RET) methods; bioluminescence resonance energy transfer (BRET) and fluorescence resonance energy transfer (FRET), to investigate interactions between the ghrelin receptor isoforms and GPR39. RET is the transfer of energy from a donor fluorophore to an acceptor fluorophore when they are in close proximity, and RET methods are, therefore, applicable to the observation of specific protein-protein interactions. Extensive studies using the second generation bioluminescence resonance energy transfer (BRET2) technology were performed, however, a number of technical limitations were observed. The substrate used during BRET2 studies, coelenterazine 400a, has a low quantum yield and rapid signal decay. This study highlighted the requirement for the expression of donor and acceptor tagged receptors at high levels so that a BRET ratio can be determined. After performing a number of BRET2 experimental controls, our BRET2 data did not fit the predicted results for a specific interaction between these receptors. The interactions that we observed may in fact represent ‘bystander BRET’ resulting from high levels of expression, forcing the donor and acceptor into close proximity. Our FRET studies employed two different FRET techniques, acceptor photobleaching FRET and sensitised emission FRET measured by flow cytometry. We were unable to observe any significant FRET, or FRET values that were likely to result from specific receptor dimerisation between GHS-R1a, GHS-R1b and GPR39. While we were unable to conclusively demonstrate direct dimerisation between GHS-R1a, GHS-R1b and GPR39 using several methods, our findings do not exclude the possibility that these receptors interact. We aimed to investigate if co-expression of combinations of these receptors had functional effects in prostate cancers cells. It has previously been demonstrated that ghrelin stimulates cell proliferation in prostate cancer cell lines, through ERK1/2 activation, and GPR39 can stimulate ERK1/2 signalling in response to zinc treatments. Additionally, both GHS-R1a and GPR39 display a high level of constitutive signalling and these constitutively active receptors can attenuate apoptosis when overexpressed individually in some cell types. We, therefore, investigated ERK1/2 and AKT signalling and cell survival in prostate cancer the potential modulation of these functions by dimerisation between GHS-R1a, GHS-R1b and GPR39. Expression of these receptors in the PC-3 prostate cancer cell line, either alone or in combination, did not alter constitutive ERK1/2 or AKT signalling, basal apoptosis or tunicamycin-stimulated apoptosis, compared to controls. In summary, the potential interactions between the ghrelin receptor isoforms, GHS-R1a and GHS-R1b, and the related zinc receptor, GPR39, and the potential for functional outcomes in prostate cancer were investigated using a number of independent methods. We did not definitively demonstrate the formation of these dimers using a number of state of the art methods to directly demonstrate receptor-receptor interactions. We investigated a number of potential functions of GPR39 and GHS-R1a in the prostate and did not observe altered function in response to co-expression of these receptors. The technical questions raised by this study highlight the requirement for the application of extensive controls when using current methods for the demonstration of GPCR dimerisation. Similar findings in this field reflect the current controversy surrounding the investigation of GPCR dimerisation. Although GHS-R1a/GHS-R1b or GHS-R1a/GPR39 heterodimerisation was not clearly demonstrated, this study provides a basis for future investigations of these receptors in prostate cancer. Additionally, the results presented in this study and growing evidence in the literature highlight the requirement for an extensive understanding of the experimental method and the performance of a range of controls to avoid the spurious interpretation of data gained from artificial expression systems. The future development of more robust techniques for investigating GPCR dimerisation is clearly required and will enable us to elucidate whether GHS-R1a, GHS-R1b and GPR39 form physiologically relevant dimers.

The GAF Domain of the cGMP-Binding, cGMP-Specific Phosphodiesterase (PDE5) Is a Sensor and a Sink for cGMP

We describe here a novel sensor for cGMP based on the GAF domain of the cGMP-binding, cGMP-specific phosphodiesterase 5 (PDE5) using bioluminescence resonance energy transfer (BRET). The wild type GAFa domain, capable of binding cGMP with high affinity, and a mutant (GAFaF163A) unable to bind cGMP were cloned as fusions between GFP and Rluc for BRET2 assays. BRET2 ratios of the wild type GAFa fusion protein, but not GAFaF163A, increased in the presence of cGMP but not cAMP. Higher basal BRET2 ratios were observed in cells expressing the wild type GAFa domain than in cells expressing GAFaF163A. This was correlated with elevated basal intracellular levels of cGMP, indicating that the GAF domain could act as a sink for cGMP. The tandem GAF domains in full length PDE5 could also sequester cGMP when the catalytic activity of PDE5 was inhibited. Therefore, these results describe a cGMP sensor utilizing BRET2 technology and experimentally demonstrate the reservoir of cGMP that can be present in cells that express cGMP-binding GAF domain-containing proteins. PDE5 is the target for the anti-impotence drug sildenafil citrate; therefore, this GAF-BRET2 sensor could be used for the identification of novel compounds that inhibit cGMP binding to the GAF domain, thereby regulating PDE5 catalytic activity.

Distinct Allostery Induced in the Cyclic GMP-binding, Cyclic GMP-specific Phosphodiesterase (PDE5) by Cyclic GMP, Sildenafil, and Metal Ions

The activity of many proteins orchestrating different biological processes is regulated by allostery, where ligand binding at one site alters the function of another site. Allosteric changes can be brought about by either a change in the dynamics of a protein, or alteration in its mean structure. We have investigated the mechanisms of allostery induced by chemically distinct ligands in the cGMP-binding, cGMP-specific phosphodiesterase, PDE5. PDE5 is the target for catalytic site inhibitors, such as sildenafil, that are used for the treatment of erectile dysfunction and pulmonary hypertension. PDE5 is a multidomain protein and contains two N-terminal cGMP-specific phosphodiesterase, bacterial adenylyl cyclase, FhLA transcriptional regulator (GAF) domains, and a C-terminal catalytic domain. Cyclic GMP binding to the GAFa domain and sildenafil binding to the catalytic domain result in conformational changes, which to date have been studied either with individual domains or with purified enzyme. Employing intramolecular bioluminescence resonance energy transfer, which can monitor conformational changes both in vitro and in intact cells, we show that binding of cGMP and sildenafil to PDE5 results in distinct conformations of the protein. Metal ions bound to the catalytic site also allosterically modulated cGMP- and sildenafil-induced conformational changes. The sildenafil-induced conformational change was temperature-sensitive, whereas cGMP-induced conformational change was independent of temperature. This indicates that different allosteric ligands can regulate the conformation of a multidomain protein by distinct mechanisms. Importantly, this novel PDE5 sensor has general physiological and clinical relevance because it allows the identification of regulators that can modulate PDE5 conformation in vivo.

Cyclic AMP-induced Conformational Changes in Mycobacterial Protein Acetyltransferases

The activities of a number of proteins are regulated by the binding of cAMP and cGMP to cyclic nucleotide binding (CNB) domains that are found associated with one or more effector domains with diverse functions. Although the conserved architecture of CNB domains has been extensively studied by x-ray crystallography, the key to unraveling the mechanisms of cAMP action has been protein dynamics analyses. Recently, we have identified a novel cAMP-binding protein from mycobacteria, where cAMP regulates the activity of an associated protein acetyltransferase domain. In the current study, we have monitored the conformational changes that occur upon cAMP binding to the CNB domain in these proteins, using a combination of bioluminescence resonance energy transfer and amide hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. Coupled with mutational analyses, our studies reveal the critical role of the linker region (positioned between the CNB domain and the acetyltransferase domain) in allosteric coupling of cAMP binding to activation of acetyltransferase catalysis. Importantly, major differences in conformational change upon cAMP binding were accompanied by stabilization of the CNB and linker domain alone. This is in contrast to other cAMP-binding proteins, where cyclic nucleotide binding has been shown to involve intricate and parallel allosteric relays. Finally, this powerful convergence of results from bioluminescence resonance energy transfer and hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry reaffirms the power of solution biophysical tools in unraveling mechanistic bases of regulation of proteins in the absence of high resolution structural information.

Cyclic nucleotide binding and structural changes in the isolated GAF domain of Anabaena adenylyl cyclase, CyaB2

GAF domains are a large family of regulatory domains, and a subset are found associated with enzymes involved in cyclic nucleotide (cNMP) metabolism such as adenylyl cyclases and phosphodiesterases. CyaB2, an adenylyl cyclase from Anabaena, contains two GAF domains in tandem at the N-terminus and an adenylyl cyclase domain at the C-terminus. Cyclic AMP, but not cGMP, binding to the GAF domains of CyaB2 increases the activity of the cyclase domain leading to enhanced synthesis of cAMP. Here we show that the isolated GAFb domain of CyaB2 can bind both cAMP and cGMP, and enhanced specificity for cAMP is observed only when both the GAFa and the GAFb domains are present in tandem(GAFab domain). In silico docking and mutational analysis identified distinct residues important for interaction with either cAMP or cGMP in the GAFb domain. Structural changes associated with ligand binding to the GAF domains could not be detected by bioluminescence resonance energy transfer (BRET) experiments. However, amide hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDXMS) experiments provided insights into the structural basis for cAMP-induced allosteric regulation of the GAF domains, and differences in the changes induced by cAMP and cGMP binding to the GAF domain. Thus, our findings could allow the development of molecules that modulate the allosteric regulation by GAF domains present in pharmacologically relevant proteins.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Assemblage oligomérique des récepteurs couplés aux protéines G avec les RAMPs

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) constituent la plus grande classe de récepteurs membranaires impliqués dans la transmission des signaux extracellulaires. Traditionnellement, la transmission de la signalisation par les RCPGs implique l’activation d’une protéine G hétéro-trimérique qui pourra à son tour moduler l’activité de divers effecteurs intracellulaires. Ce schéma classique de signalisation s’est complexifié au fils des années et l’on sait maintenant qu’en plus d’interagir avec les protéines G, les RCPGs s’associent avec une panoplie d’autres protéines afin de transmettre adéquatement les signaux extracellulaires. En particulier, la découverte d’une famille de protéines transmembranaires modulant la fonction des RCPGs, baptisées protéines modifiant l’activité des récepteurs (« receptor activity-modifying proteins » ; RAMPs), a changé la façon de concevoir la signalisation par certains RCPGs. Dans le cas du récepteur similaire au récepteur de la calcitonine (« calcitonin-like receptor » ; CLR), l’association avec les RAMPs permet l’acheminement à la surface cellulaire du récepteur tout en modulant ses propriétés pharmacologiques. Lorsqu’il est associé avec RAMP1, le CLR fonctionne comme un récepteur du peptide relié au gène de la calcitonine (« calcitonin gene-related peptide » ; CGRP), alors qu’il devient un récepteur de l’adrénomedulline lorsqu’il interagit avec RAMP2 ou RAMP3. D’autre part, en plus d’interagir avec des protéines accessoires transmembranaires telles les RAMPs, les RCPGs peuvent aussi s’associer entre eux pour former des oligomères de récepteurs. Dans cette thèse, nous nous sommes penchés sur les interactions entre les RCPGs et les RAMPs, et plus particulièrement sur l’interrelation entre ce type d’association RCPG/RAMP et l’assemblage en oligomères de récepteurs, en utilisant le récepteur du CGRP comme modèle d’étude. Une première étude nous a tout d’abord permis de confirmer l’interaction entre le récepteur CLR et RAMP1, dans un contexte de cellules vivantes. Nous avons démontré que ce complexe CLR/RAMP1 active la protéine G et recrute la protéine de signalisation -arrestine suite à une stimulation par le CGRP. Ensuite, nous avons déterminé que même s’il doit obligatoirement former un hétéro-oligomère avec les RAMPs pour être actif, le CLR conserve malgré tout sa capacité à interagir avec d’autres RCPGs. En plus d’observer la présence d’homo-oligomère de CLR, nous avons constaté que tout comme les RCPGs, les RAMPs peuvent eux-aussi s’associer entre eux pour former des complexes oligomériques pouvant comprendre différents sous-types (RAMP1/RAMP2 et RAMP1/RAMP3). Cette observation de la présence d’homo-oligomères de CLR et de RAMP1, nous a amené à nous questionner sur la stœchiométrie d’interaction du complexe CLR/RAMP1. Dans une deuxième étude ayant pour but d’établir la composition moléculaire du récepteur CGRP1 in vivo, nous avons développé une nouvelle approche permettant l’étude de l’interaction entre trois protéines dans un contexte de cellules vivantes. Cette technique baptisée BRET/BiFC, est basée sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence entre un donneur luminescent, la Renilla luciférase, et un accepteur fluorescent, la protéine fluorescente jaune (YFP), reconstituée suite au ré-assemblage de ces deux fragments. En utilisant cette approche, nous avons pu déterminer que le récepteur CGRP1 est constitué d’un homo-oligomère de CLR interagissant avec un monomère de RAMP1. En démontrant un assemblage oligomérique asymétrique pour le récepteur CGRP1 à partir d’une nouvelle approche biophysique, nous croyons que les travaux présentés dans cette thèse ont contribué à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la grande famille des RCPGs, et seront utile à la poursuite des recherches sur les complexes protéiques impliqués dans la signalisation.

Effet de chaperones pharmacologiques sur les formes mutantes du récepteur mélanocortine de type 4 responsables de l'obésité morbide précoce

Le récepteur mélanocortine de type 4 (MC4R) est un récepteur couplé aux protéines G impliqué dans la régulation de la prise alimentaire et de l’homéostasie énergétique. Quatre-vingt pour cent des mutants du MC4R reliés à l’obésité morbide précoce (OMP) sont retenus à l’intérieur de la cellule. Le système de contrôle de qualité (SCQ) est probablement responsable de cette rétention, par la reconnaissance d’une conformation inadéquate des mutants. Le rétablissement de l’expression à la surface cellulaire et de la fonctionnalité de ces mutants est donc d’intérêt thérapeutique. Dans cette optique, des composés lipophiles spécifiques pour le MC4R ont été sélectionnés sur la base de leur sélectivité. Nous avons démontré qu’ils agissent à titre de chaperone pharmacologique (CP) en rétablissant l’expression à la surface cellulaire et la fonctionnalité des récepteurs mutants S58C et R165W, et qu’ils favorisent leur N-glycosylation complexe (maturation). Le suivi par BRET du site d’action des CP du MC4R suggère une action en aval de l’interaction calnexine-MC4R. De manière générale, une CP peut avoir un effet différent selon le mutant traité en induisant des conformations distinctes du récepteur plus ou moins aptes à se dissocier du SCQ et à activer la voie de signalisation, et un mutant peut répondre différemment selon la CP utilisée par des différences d’affinité pour le ligand, la CP et les effecteurs. Une meilleure compréhension du mode d’action des CP pourrait aider au développement de nouvelles approches thérapeutiques non seulement pour l’OMP, mais aussi pour d’autres maladies conformationnelles causées par le mauvais repliement de protéines.

Rôle du dimère Gbetagamma dans l’organisation des systèmes de signalisation cellulaire

Selon le modèle classique, le signal reçu par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) se propage suite à des interactions transitoires et aléatoires entre les RCPGs, les protéines G et leurs effecteurs. Par les techniques de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), de complémentation bimoléculaire de protéines fluorescentes (BiFC) et de co-immunoprécipitation, nous avons observé que les récepteurs, les protéines G et les effecteurs forment un complexe stable, avant et après l’activation des récepteurs. L’interaction entre l’effecteur Kir3 et le dimère Gbetagamma se produit initialement au réticulum endoplasmique et est sensible à un agoniste liposoluble des récepteurs beta2-adrénergiques. Bien que peu de spécificité pour les nombreux isoformes des sous-unités Gbetagamma ait été observée pour l’activation du canal Kir3, les interactions précoces au RE sont plus sensibles aux différentes combinaisons de Gbetagamma présentes. En plus de son rôle dans la régulation des effecteurs, le dimère Gbetagamma peut interagir avec de nombreuses protéines possédant des localisations cellulaires autres que la membrane plasmique. Nous avons identifié une nouvelle classe de protéines interagissant avec la sous-unité Gbeta, autant en système de surexpression que dans des extraits de cerveaux de rats, soit les protéines FosB et cFos, qui forment le complexe de transcription AP-1, suite à leur dimérisation avec les protéines de la famille des Jun. La coexpression du dimère Gbetagamma réduit l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1 induit par le phorbol 12-,myristate 13-acetate (PMA), sans toutefois interférer avec la formation du complexe Fos/Jun ou son interaction avec l’ADN. Toutefois, le dimère Gbetagamma colocalise au noyau avec le complexe AP-1 et recrute les protéines histones déacétylases (HDAC) afin d’inhiber l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1.

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

Comparaison de l’ubiquitylation de différentes protéines à domaine SH3 impliquées dans l’endocytose suite à leur interaction avec la ligase de l’ubiquitine Itch

Itch est la seule ligase de l'ubiquitine de type C2-WW-HECT capable d'interagir avec les protéines à domaine SH3. Ce domaine est particulièrement représenté parmi les protéines régulatrices de l'endocytose. Les travaux présentés ici visaient à examiner la capacité d'Itch à interagir avec plusieurs protéines endocytiques. Nous avons utilisé la technique du BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) pour examiner quelques protéines candidates. Nous avons ensuite confirmé les résultats obtenus par BRET avec des tests d'interaction in vitro, puis déterminé la capacité d'Itch à ubiquityler les protéines liées via leurs domaines SH3. Nous avons ainsi découvert deux nouveaux partenaires d'interaction et substrats d'Itch parmi les protéines endocytiques, amphyphisine et pacsine. De plus, Itch interagit avec les domaines SH3 isolés d'intersectine, mais pas avec la protéine complète, suggérant que cette dernière n'est pas un substrat d'Itch. Itch est donc bien positionnée pour exercer un rôle régulateur de l'endocytose en ubiquitylant ses substrats.

Évaluation de l'effet des antagonistes synthétiques du récepteur de chimiokine, CXCR4 sur CXCR7

Le récepteur de chimiokine CXCR7 a été récemment identifié comme liant la chimiokine SDF-1, anciennement considérée comme ligand exclusif du récepteur CXCR4. Ces deux récepteurs sont exprimés majoritairement dans les mêmes types cellulaires et, ainsi, la découverte de CXCR7 incite à réévaluer les effets respectifs de SDF-1 sur CXCR4. Étant donné son rôle dans le cancer, CXCR4 est une cible de choix pour le développement de molécules thérapeutiques. Également, CXCR7 semble être impliqué dans la croissance tumorale. AMD3100, un antagoniste «sélectif» pour CXCR4, est maintenant commercialisé. Cet antagoniste a été identifié comme liant lui aussi CXCR7. De plus, sur CXCR7, l’AMD3100 agit comme agoniste puisqu’il induit le recrutement de la β-arrestine, à l’opposé de son effet sur. En revanche, AMD3100 n’induit pas le recrutement de la β-arrestine à CXCR4. Basé sur ces résultats, il est nécessaire de revoir la sélectivité d’autres antagonistes synthétiques de CXCR4. À l’aide de la technique de BRET (Résonance d’un transfert d’énergie par bioluminescence), nos résultats montrent que le Tc14012, un autre antagoniste synthétique de CXCR4, et structurellement distinct de l’AMD3100, interagit avec CXCR7. Contrairement à CXCR4, les deux antagonistes de CXCR4 agissent comme agonistes sur CXCR7 en induisant le recrutement de la β-arrestine. Nos résultats suggèrent que l’organisation spatiale du corps du récepteur serait responsable de cet effet opposé. En conclusion, AMD3100 et Tc14012 ne sont pas sélectifs pour CXCR4, puisqu’ils interagissent avec CXCR7. Lors du développement de nouvelles molécules synthétiques ciblant CXCR4, il serait alors nécessaire d’en évaluer leur sélectivité, et leurs effets en les testant aussi sur CXCR7.

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.