The Snake Venom Peptide Bj-PRO-7a Is a M1 Muscarinic Acetylcholine Receptor Agonist

Proline-rich peptides from Bothrops jararaca venom (Bj-PRO) were characterized based on the capability to inhibit the somatic angiotensin-converting enzyme. The pharmacological action of these peptides resulted in the development of Captopril, one of the best examples of a target-driven drug discovery for treatment of hypertension. However, biochemical and biological properties of Bj-PROs were not completely elucidated yet, and many recent studies have suggested that their activity relies on angiotensin-converting enzyme-independent mechanisms. Here, we show that Bj-PRO-7a (agonist. Neural-differentiated P19 cells expressing endogenous M1 receptors were also responsive to Bj-PRO-7a application, whereas no such response was observed in undifferentiated P19 cells not expressing muscarinic receptors. As further support for its specific action on M1 receptors, the peptide did not activate M3 subtypes in transfected CHO cells. Our findings provide a novel M1 muscarinic receptor agonist that could be used for basic research and even for pharmacological applications. (C) 2010 International Society for Advancement of Cytometry

Inhibition of cannabinoid CB1 receptor upregulates Slc2a4 expression via nuclear factor-kappa B and sterol regulatory element-binding protein-1 in adipocytes

Evidences have suggested that the endocannabinoid system is overactive in obesity, resulting in enhanced endocannabinoid levels in both circulation and visceral adipose tissue. The blockade of cannabinoid receptor type 1 (CB1) has been proposed for the treatment of obesity. Besides loss of body weight, CB1 antagonism improves insulin sensitivity, in which the glucose transporter type 4 (GLUT4) plays a key role. The aim of this study was to investigate the modulation of GLUT4-encoded gene (Slc2a4 gene) expression by CB1 receptor. For this, 3T3-L1 adipocytes were incubated in the presence of a highly selective CB1 receptor agonist (1 mu M arachidonyl-2'-chloroethylamide) and/or a CB1 receptor antagonist/inverse agonist (0.1, 0.5, or 1 mu M AM251, 1-(2,4-dichlorophenyl)-5-(4-iodophenyl)-4-methyl-N-1-piperidinyl-1H-pyrazole-3-carboxamide). After acute (2 and 4 h) and chronic (24 h) treatments, cells were harvested to evaluate: i) Slc2a4, Cnr1 (CB1 receptor-encoded gene), and Srebf1 type a (SREBP-1a type-encoded gene) mRNAs (real-time PCR); ii) GLUT4 protein (western blotting); and iii) binding activity of nuclear factor (NF)-kappa B and sterol regulatory element-binding protein (SREBP)-1 specifically in the promoter of Slc2a4 gene (electrophoretic mobility shift assay). Results revealed that both acute and chronic CB1 receptor antagonism greatly increased (similar to 2.5-fold) Slc2a4 mRNA and protein content. Additionally, CB1-induced upregulation of Slc2a4 was accompanied by decreased binding activity of NF-kappa B at 2 and 24 h, and by increased binding activity of the SREBP-1 at 24 h. In conclusion, these findings reveal that the blockade of CB1 receptor markedly increases Slc2a4/GLUT4 expression in adipocytes, a feature that involves NF-kappa B and SREBP-1 transcriptional regulation. Journal of Molecular Endocrinology (2012) 49, 97-106

Specific PET-ligands for selected 5-HT and GABA A-receptor subtypes = PET-Liganden mit Spezifität für definierte 5-HT und GABA A-Rezeptor-Subtypen

Für diese Arbeit wurden sechs neue Benzodiazepinderivate, TC07, TC08, TC09, TC10, TC11 und TC12, hergestellt. Diese wurden mittels Radioligandenbindungsassay sowohl auf ihre Bindungseigenschaften für Membranen des Cerebellum, des Hippo-campus und des Cortex der Ratte hin untersucht, als auch für Membranen von HEK293 Zellen, die transient rekombinante GABAA Rezeptoren exprimierten. Zusätz-lich wurden kompetitive in situ Rezeptorautoradiographien an Rattenhirnschnitten mit den Liganden [3H]Ro15-4513 und [3H]R015-1788 durchgeführt. Zusammen ergaben sich aus diesen Experimenten deutliche Hinweise auf eine Selektivität der Verbindun-gen TC07, TC11 und TC12 für a5-Untereinheiten enthaltende GABAA Rezeptoren mit a5-Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich. In vivo Bindungsexperimente in Ratten, mit [3H]Ro15-1788 als Tracer und TC07 als Kompetitor, ergaben, dass TC07 mehr [3H]Ro15-1788 im Vorderhirn als im Cerebellum verdrängt. Bezog man die regionale Verteilung der a5-Untereinheit des GABAA Rezep-tors im Rattenhirn mit ein – sehr wenige a5-Untereinheiten im Cerebellum, etwa 20 % der GABAA Rezeptor-Untereinheiten im Hippocampus – untermauerten diese Ergeb-nisse die Vermutung, TC07 könne a5-selektiv sein. Diese Daten bestätigten darü-berhinaus, dass TC07 die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Für elektrophysiologische Messungen mit TC07 und TC12 wurden die oben erwähnten transient transfizierten HEK293 Zellen verwendet, welche die GABAA Rezeptor Unte-reinheitenkombination a5b3g2 exprimierten. Das Dosis-Antwort Verhalten ergab keinen signifikanten Effekt für TC12. Die Daten von TC07 dagegen lassen auf einen schwach negativ modulatorischen Effekt schließen, was, zumindest theoretisch, die Möglichkeit eröffnet, TC07 auch als sogenannten cognitive enhancer einzusetzen. Der errechnete Ki-Wert lag in derselben Größenordnung wie der Ki-Wert, der anhand der Bindungsas-saydaten errechnet wurde. Insgesamt rechtfertigen die bisherigen Ergebnisse die radiochemische Markierung mit 18F von drei der sechs getesteten Verbindungen in der Reihenfolge TC07, TC12 und TC11. Des Weiteren wurde [18F]MHMZ, ein potentiell 5-HT2A selektiver Ligand und PET-Tracer einschließlich Vorläufer und Referenzverbindungen, mit hohen Ausbeuten syn-thetisiert (Herth, Debus et al. 2008). Autoradiographieexperimente mit Rattenhirn-schnitten zeigten hervorragende in situ Bindungseigenschaften der neuen Verbindung. Die Daten wiesen eine hohe Selektivität für 5-HT2A Rezeptoren in Verbindung mit einer niedrigen unspezifischen Bindung auf. [18F]MHMZ erfährt in vivo eine schnelle Metabo-lisierung, wobei ein polarer aktiver Metabolit entsteht, welcher vermutlich nicht die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Transversale, sagittale und coronale Kleintier-PET-Bilder des Rattenhirns zeigten eine hohe Anreicherung im frontalen Cortex und im Striatum, während im Cerebellum so gut wie keine Anreicherung festzustellen war. Diese Verteilung deckt sich mit der bekann-ten Verteilung der 5-HT2A Rezeptoren. Die in vivo Anreicherung scheint sich ebenfalls gut mit der Verteilung der in den Autoradiographieexperimenten gemessenen Bindung zu decken. Nach Berechnungen mit dem 4-Parameter Referenzgewebe Modell beträgt das Bindungspotential (BP) für den frontalen Cortex 1,45. Das Cortex zu Cerebellum Verhältnis wurde auf 2,7 nach 30 Minuten Messzeit bestimmt, was bemerkenswert nah an den von Lundkvist et al. für [11C]MDL 100907 publizierten Daten liegt. Abgesehen von der etwas niedrigeren Affinität waren die gemessenen in vitro, in situ und in vivo Daten denen von [3H]MDL 100907 und [11C]MDL 100907 sehr ähnlich, so dass wir ein [18F]Analogon in der Hand haben, das die bessere Selektivität von MDL 100907 verglichen mit Altanserin mit der längeren Halbwertszeit und den besse-ren Eigenschaften für die klinische Routine von 18F verglichen mit 11C verbindet. Die Ergebnisse von [18F]MHMZ rechtfertigenden weitere Experimente, um diesen Liganden für die klinische Routine am Menschen nutzbar zu machen.

Mutagenesis and computer modeling studies of a GPCR conserved residue W5.43(194) in ligand recognition and signal transduction for CB2 receptor

W5.43(194), a conserved tryptophan residue among G-protein coupled receptors (GPCRs) and cannabinoid receptors (CB), was examined in the present report for its significance in CB2 receptor ligand binding and adenylyl cyclase (AC) activity. Computer modeling postulates that this site in CB2 may be involved in the affinity of WIN55212-2 and SR144528 through aromatic contacts. In the present study, we reported that a CB2 receptor mutant, W5.43(194)Y, which had a tyrosine (Y) substitution for tryptophan (W), retained the binding affinity for CB agonist CP55940, but reduced binding affinity for CB2 agonist WIN55212-2 and inverse agonist SR144528 by 8-fold and 5-fold, respectively; the CB2 W5.43(194)F and W5.43(194)A mutations significantly affect the binding activities of CP55940, WIN55212-2 and SR144528. Furthermore, we found that agonist-mediated inhibition of the forskolin-induced cAMP production was dramatically diminished in the CB2 mutant W5.43(194)Y, whereas W5.43(194)F and W5.43(194)A mutants resulted in complete elimination of downstream signaling, suggesting that W5.43(194) was essential for the full activation of CB2. These results indicate that both aromatic interaction and hydrogen bonding are involved in ligand binding for the residue W5.43(194), and the mutations of this tryptophan site may affect the conformation of the ligand binding pocket and therefore control the active conformation of the wild type CB2 receptor. W5.43(194)Y/F/A mutations also displayed noticeable enhancement of the constitutive activation probably attributed to the receptor conformational changes resulted from the mutations.

Murine ventricular L-type Ca2+ current is enhanced by zinterol via beta(1)-adrenoceptors, and is reduced in TG4 mice overexpressing the human beta(2)-adrenoceptor

1 The functional coupling of B-2-adrenoceptors (beta (2)-ARs) to murine L-type Ca2+ current (I-Ca(L)) was investigated with two different approaches. The beta (2)-AR signalling cascade was activated either with the beta (2)-AR selective agonist zinterol (myocytes from wild-type mice), or by spontaneously active, unoccupied beta (2)-ARs (myocytes from TG4 mice with 435 fold overexpression of human beta (2)-ARs). Ca2+ and Ba2+ currents were recorded in the whole-cell and cell-attached configuration of the patch- clamp technique, respectively. 2 Zinterol (10 muM) significantly increased I-Ca(L) amplitude of wild-type myocytes by 19+/-5%, and this effect was markedly enhanced after inactivation of Gi-proteins with pertussis-toxin (PTX; 76+/-13% increase). However, the effect of zinterol was entirely mediated by the beta (1)-AR subtype, since it was blocked by the beta (1)-AR selective antagonist CGP 20712A (300 nM). The beta (2)-AR selective antagonist ICI 118,551 (50 nM) did not affect the response of I-Ca(L) to zinterol. 3 In myocytes with beta (2)-AR overexpression I-Ca(L) was not stimulated by the activated signalling cascade. On the contrary, I-Ca(L) was lower in TG4 myocytes and a significant reduction of single-channel activity was identified as a reason for the lower whole-cell I-Ca(L). The beta (2)-AR inverse agonist ICI 118,551 did not further decrease I-Ca(L). PTX-treatment increased current amplitude to values found in control myocytes. 4 In conclusion, there is no evidence for beta (2)-AR mediated increases of I-Ca(L) in wild-type mouse ventricular myocytes. Inactivation of Gi-proteins does not unmask beta (2)-AR responses to zinterol, but augments beta (1)-AR mediated increases of I-Ca(L). In the mouse model of beta (2)-AR overexpression I-Ca(L) is reduced due to tonic activation of Gi-proteins.

Conservation of the cardiostimulant effects of (-)-Norepinephrine across Ser49Gly and Gly389Arg Beta1-adrenergic receptor polymorphisms in human right atrium in vitro

OBJECTIVES The goal of this study was to determine whether the cardiostimulant effects of the endogenous beta(1)-adrenergic receptor (AR) agonist, (-)-norepinephrine are modified by polymorphic (Serine49Glycine [Ser49Gly], Glycine389Arginine [Gly389Arg]) variants of beta(1)-ARs in the nonfailing adult human heart. BACKGROUND Human heart beta(1)-ARs perform a crucial role in mediating the cardiostimulant effects of (-)-norepinephrine. An understanding of the significance of Ser49Gly and Gly389Arg polymorphisms in the human heart is beginning to emerge, but not as yet in adult patients who have coronary artery disease (CAD). METHODS The potency and maximal effects of (-)-norepinephrine at beta(1)-ARs (in the presence of beta(2)-AR blockade with 50 nM ICI 118,551 [erythro-DL-1(7-methylindan-4-yloxy)-3-isopropylamino-butan-2-ol]) for changes in contractile force and shortening of contractile cycle duration were determined in human right atrium in vitro from 87 patients undergoing coronary artery bypass grafting who were taking beta-blockers before surgery. A smaller sample of patients (n = 20) not taking beta-blockers was also investigated. Genotyping for two beta(1)-AR polymorphisms (Ser49Gly and Gly389Arg) was determined from a sample of blood taken at the time of surgery. RESULTS (-)-Norepinephrine caused concentration-dependent increases in contractile force and reductions in time to reach peak force and time to reach 50% relaxation. There were no differences in the potency or maximal effects of (-)-norepinephrine in the right atrium from patients with different Ser49Gly and Gly389Arg polymorphisms. CONCLUSIONS The cardiostimulant effects of (-)-norepinephrine at beta(1)-ARs were conserved across Ser49Gly and Gly389Arg polymorphisms in the right atrium of nonfailing hearts from patients with CAD managed with or without beta-blockers. (C) 2002 by the American College of Cardiology Foundation.

Adrenergic, dopaminergic, and muscarinic receptor stimulation leads to PKA phosphorylation of Na-K-ATPase.

Na-K-adenosinetriphosphatase (Na-K-ATPase) is a potential target for phosphorylation by protein kinase A (PKA) and C (PKC). We have investigated whether the Na-K-ATPase alpha-subunit becomes phosphorylated at its PKA or PKC phosphorylation sites upon stimulation of G protein-coupled receptors primarily linked either to the PKA or the PKC pathway. COS-7 cells, transiently or stably expressing Bufo marinus Na-K-ATPase wild-type alpha- or mutant alpha-subunits affected in its PKA or PKC phosphorylation site, were transfected with recombinant DNA encoding beta 2- or alpha 1-adrenergic (AR), dopaminergic (D1A-R), or muscarinic cholinergic (M1-AChR) receptor subspecies. Agonist stimulation of beta 2-AR or D1A-R led to phosphorylation of the wild-type alpha-subunit, as well as the PKC mutant, but not of the PKA mutant, indicating that these receptors can phosphorylate the Na-K-ATPase via PKA activation. Surprisingly, stimulation of the alpha 1B-AR, alpha 1C-AR, and M1-AChR also increased the phosphorylation of the wild-type alpha-subunit and its PKC mutant but not of its PKA mutant. Thus the phosphorylation induced by these primarily phospholipase C-linked receptors seems mainly mediated by PKA activation. These data indicate that the Na-K-ATPase alpha-subunit can act as an ultimate target for PKA phosphorylation in a cascade starting with agonist-receptor interaction and leading finally to a phosphorylation-mediated regulation of the enzyme.

The PPARgamma agonist pioglitazone modifies the vascular sodium-angiotensin II relationship in insulin-resistant rats.

Glitazones are efficient insulin sensitizers that blunt the effects of angiotensin II (ANG II) in the rat. Sodium chloride is another important modulator of the systemic and renal effects of ANG II. Whether glitazones interfere with the interaction between sodium and the response to ANG II is not known. Therefore, we investigated the effects of pioglitazone on the relationship between sodium and the systemic and renal effects of ANG II in rats. Pioglitazone, or vehicle, was administered for 4 wk to 8-wk-old obese Zucker rats. Animals were fed a normal-sodium (NS) or a high-sodium (HS) diet. Intravenous glucose tolerance tests, systemic and renal hemodynamic responses to ANG II, and the renal ANG II binding and expression of ANG II type 1 (AT(1)) receptors were measured. The results of our study were that food intake and body weight increased, whereas blood pressure, heart rate, filtration fraction, and insulin levels decreased significantly with pioglitazone in obese rats on both diets. Pioglitazone blunted the systemic response to ANG II and abolished the increased responsiveness to ANG II induced by a HS diet. Pioglitazone modified the renal hemodynamic response to changes in salt intake while maintaining a lower filtration fraction with ANG II perfusion. These effects were associated with a decrease in the number and expression of the AT(1) receptor in the kidney. In conclusion, these data demonstrate that the peroxisome proliferator-activated receptor-gamma agonist pioglitazone modifies the physiological relationship between sodium chloride and the response to ANG II in insulin-resistant rats.

Nolz1 promotes striatal neurogenesis through the regulation of retinoic acid signaling

Background: Nolz1 is a zinc finger transcription factor whose expression is enriched in the lateral ganglionic eminence (LGE), although its function is still unknown. Results: Here we analyze the role of Nolz1 during LGE development. We show that Nolz1 expression is high in proliferating neural progenitor cells (NPCs) of the LGE subventricular zone. In addition, low levels of Nolz1 are detected in the mantle zone, as well as in the adult striatum. Similarly, Nolz1 is highly expressed in proliferating LGE-derived NPC cultures, but its levels rapidly decrease upon cell differentiation, pointing to a role of Nolz1 in the control of NPC proliferation and/or differentiation. In agreement with this hypothesis, we find that Nolz1 over-expression promotes cell cycle exit of NPCs in neurosphere cultures and negatively regulates proliferation in telencephalic organotypic cultures. Within LGE primary cultures, Nolz1 over-expression promotes the acquisition of a neuronal phenotype, since it increases the number of β-III tubulin (Tuj1)- and microtubule-associated protein (MAP)2-positive neurons, and inhibits astrocyte generation and/or differentiation. Retinoic acid (RA) is one of the most important morphogens involved in striatal neurogenesis, and regulates Nolz1 expression in different systems. Here we show that Nolz1 also responds to this morphogen in E12.5 LGE-derived cell cultures. However, Nolz1 expression is not regulated by RA in E14.5 LGE-derived cell cultures, nor is it affected during LGE development in mouse models that present decreased RA levels. Interestingly, we find that Gsx2, which is necessary for normal RA signaling during LGE development, is also required for Nolz1 expression, which is lost in Gsx2 knockout mice. These findings suggest that Nolz1 might act downstream of Gsx2 to regulate RA-induced neurogenesis. Keeping with this hypothesis, we show that Nolz1 induces the selective expression of the RA receptor (RAR)β without altering RARα or RARγ. In addition, Nozl1 over-expression increases RA signaling since it stimulates the RA response element. This RA signaling is essential for Nolz1-induced neurogenesis, which is impaired in a RA-free environment or in the presence of a RAR inverse agonist. It has been proposed that Drosophila Gsx2 and Nolz1 homologues could cooperate with the transcriptional co-repressors Groucho-TLE to regulate cell proliferation. In agreement with this view, we show that Nolz1 could act in collaboration with TLE-4, as they are expressed at the same time in NPC cultures and during mouse development. Conclusions: Nolz1 promotes RA signaling in the LGE, contributing to the striatal neurogenesis during development.

Nolz1 promotes striatal neurogenesis through the regulation of retinoic acid signaling

Background: Nolz1 is a zinc finger transcription factor whose expression is enriched in the lateral ganglionic eminence (LGE), although its function is still unknown. Results: Here we analyze the role of Nolz1 during LGE development. We show that Nolz1 expression is high in proliferating neural progenitor cells (NPCs) of the LGE subventricular zone. In addition, low levels of Nolz1 are detected in the mantle zone, as well as in the adult striatum. Similarly, Nolz1 is highly expressed in proliferating LGE-derived NPC cultures, but its levels rapidly decrease upon cell differentiation, pointing to a role of Nolz1 in the control of NPC proliferation and/or differentiation. In agreement with this hypothesis, we find that Nolz1 over-expression promotes cell cycle exit of NPCs in neurosphere cultures and negatively regulates proliferation in telencephalic organotypic cultures. Within LGE primary cultures, Nolz1 over-expression promotes the acquisition of a neuronal phenotype, since it increases the number of β-III tubulin (Tuj1)- and microtubule-associated protein (MAP)2-positive neurons, and inhibits astrocyte generation and/or differentiation. Retinoic acid (RA) is one of the most important morphogens involved in striatal neurogenesis, and regulates Nolz1 expression in different systems. Here we show that Nolz1 also responds to this morphogen in E12.5 LGE-derived cell cultures. However, Nolz1 expression is not regulated by RA in E14.5 LGE-derived cell cultures, nor is it affected during LGE development in mouse models that present decreased RA levels. Interestingly, we find that Gsx2, which is necessary for normal RA signaling during LGE development, is also required for Nolz1 expression, which is lost in Gsx2 knockout mice. These findings suggest that Nolz1 might act downstream of Gsx2 to regulate RA-induced neurogenesis. Keeping with this hypothesis, we show that Nolz1 induces the selective expression of the RA receptor (RAR)β without altering RARα or RARγ. In addition, Nozl1 over-expression increases RA signaling since it stimulates the RA response element. This RA signaling is essential for Nolz1-induced neurogenesis, which is impaired in a RA-free environment or in the presence of a RAR inverse agonist. It has been proposed that Drosophila Gsx2 and Nolz1 homologues could cooperate with the transcriptional co-repressors Groucho-TLE to regulate cell proliferation. In agreement with this view, we show that Nolz1 could act in collaboration with TLE-4, as they are expressed at the same time in NPC cultures and during mouse development. Conclusions: Nolz1 promotes RA signaling in the LGE, contributing to the striatal neurogenesis during development.

Montelukast reduces seizures in pentylenetetrazol-kindled mice

Cysteinyl leukotrienes (CysLTs) have been implicated in seizures and kindling; however, the effect of CysLT receptor antagonists on seizure frequency in kindled animals and changes in CysLT receptor expression after pentylenetetrazol (PTZ)-induced kindling have not been investigated. In this study, we evaluated whether the CysLT1 inverse agonist montelukast, and a classical anticonvulsant, phenobarbital, were able to reduce seizures in PTZ-kindled mice and alter CysLT receptor expression. Montelukast (10 mg/kg, sc) and phenobarbital (20 mg/kg, sc) increased the latency to generalized seizures in kindled mice. Montelukast increased CysLT1immunoreactivity only in non-kindled, PTZ-challenged mice. Interestingly, PTZ challenge decreased CysLT2 immunoreactivity only in kindled mice. CysLT1 antagonists appear to emerge as a promising adjunctive treatment for refractory seizures. Nevertheless, additional studies are necessary to evaluate the clinical implications of this research.

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.

Conséquences fonctionnelles de mutations affectant le récepteur de la vasopressine de type 2 et implications thérapeutiques

Le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) joue un rôle crucial dans l’homéostasie hydrique. Exprimé principalement au niveau du rein, son activation par l’hormone antidiurétique arginine-vasopressine (AVP) favorise la réabsorption d’eau, participant ainsi à diminuer la diurèse. Plus de 200 mutations dans le gène du V2R ont été associées au diabète néphrogénique insipide congénital (DINc), une maladie causée par une perte de fonction du récepteur. À l’opposé, trois mutations découvertes récemment induisent un gain de fonction du V2R, et sont la cause du syndrome néphrogénique de l’anti-diurèse inappropriée (NSIAD). Les travaux de cette thèse visent à mieux comprendre les bases moléculaires responsables de la perte ou du gain de fonction des récepteurs mutants associés à ces deux maladies. Dans plus de 50% des cas, les mutations faux-sens affectent négativement l’adoption d’une conformation native par le V2R, provoquant la reconnaissance et la rétention intracellulaire des mutants par le système de contrôle de qualité du réticulum endoplasmique. Nos résultats ont démontré que l’interaction entre les récepteurs mutants et le chaperon moléculaire calnexine est dépendante de N-glycosylation et que sa durée varie en fonction de la mutation. De plus, l’importance de cette modification co-traductionnelle et des interactions lectines-sucres dans le processus de maturation d’un mutant donné s’est avérée une caractéristique intrinsèque, puisque l’absence de N-glycosylation n’a pas affecté le mutant Y128S (phénotype léger) tandis que la maturation du mutant W164S (phénotype sévère) a été totalement abolie. Nos résultats suggèrent aussi que l’action des chaperons pharmacologiques (CP), molécules favorisant la maturation des mutants du V2R, peut survenir à différentes étapes au cours du processus de maturation, selon le mutant réchappé. Ces différences entre muta nts suggèrent des processus biosynthétiques ‘personnalisés’ dictés par la nature de la mutation impliquée et pourraient expliquer la différence de sévérité des manifestations cliniques chez les patients porteurs de ces mutations. Bien qu’une récupération de fonction ait été obtenue pour les mutants Y128S et W164S par un traitement au CP, il n’en est pas de même pour toutes les mutations occasionnant un défaut conformationnel. C’est ce que nous avons démontré pour le mutant V88M, affligé de deux défauts, soit une faible efficacité de maturation combinée à une basse affinité pour l’AVP. Dans ce cas, et malgré une augmentation du nombre de récepteurs mutants la surface cellulaire, la diminution de l’affinité apparente du récepteur mutant pour l’AVP a été exacerbée par la présence résiduelle de CP à son site de liaison, rendant impossible l’activation du récepteur aux concentrations physiologiques d’AVP. Les mutants R137C et R137L ont une activité constitutive élevée et mènent au NSIAD tandis que la substitution de cette même arginine par une histidine (R137H) mène au DINc. Ces trois mutants se sont avéré partager plusieurs caractéristiques, dont une efficacité de maturation réduite et une désensibilisation spontanée élevée. La seule différence iden tifiée entre ces mutants est leur niveau d’activité constitutive. Le CP utilisé dans nos études possède aussi la propriété d’agoniste inverse, mais n’a pourtant pas diminué l’activité constitutive des mutants R137C/L, suggérant une conformation active ‘figée’. Seul l’effet chaperon a été observé, entraînant la hausse de récepteurs à la surface cellulaire, qui se traduit par une augmentation de la production de second messager. Nous avons par contre suggéré l’utilisation d’AVP puisqu’il favorise l’endocytose des récepteurs R137/L sans promouvoir leur activation, diminuant ainsi le nombre de récepteurs actifs à la surface cellulaire. Nous avons identifié la première mutation occasionnant un gain de fonction du V2R qui n’implique pas l’arginine 137. Le mutant F229V a une activité constitutive élevée et, contrairement aux R137C et R137L, il n’est pas sujet à une désensibilisation spontanée accrue. L’observation que des agonistes inverses sont aptes à inhiber l’activité constitutive de ce nouveau mutant est une découverte importante puisque l’insuccès obtenu avec les mutations précédentes suggérait que ces molécules n’étaient pas utiles pour le traitement du NSIAD. Considérés globalement, ces travaux illustrent le caractère particulier des formes mutantes du V2R et l’importance de bien cerner les conséquences fonctionnelles des mutations afin d’apporter aux patients atteints de DINc ou NSIAD une thérapie personnalisée, et de développer de nouveaux agents thérapeutiques adaptés aux besoins.

Mécanismes d'action des antioestrogènes totaux

Le cancer du sein est le cancer qui a la plus forte fréquence au Canada. En 2012, on estime que 23 200 nouveaux cas de cancer du sein seront diagnostiqués. Deux tiers des tumeurs mammaires expriment ou surexpriment le récepteur des oestrogènes α (ERα). De même, les oestrogènes sont importants pour la croissance de ces tumeurs. La présence des récepteurs hormonaux est un critère qui détermine le choix de la thérapie; à cet égard, le ciblage des récepteurs des oestrogènes par les antioestrogènes a pour but d’inactiver ces récepteurs et diminuer leur contribution à la croissance tumorale. Les antioestrogènes sont des inhibiteurs compétitifs de ERα. Tamoxifene est le médicament le plus utilisé pour traiter les tumeurs mammaires ER+ de tous les stades, avant ou après la ménopause. Tamoxifene est antioestrogène partiel ou SERM qui a un profile mixte d’activités agonistes et antagonistes. Fulvestrant ou ICI 182, 780 est un antioestrogène de type total ou SERD dépourvu de toute activité agoniste. Ce composé est utilisé en clinique chez les femmes après la ménopause ayant des tumeurs mammaires avancées. Fulvestrant constitue, donc, une deuxième ligne thérapeutique en cas de rechute après à un traitement par Tamoxifene. Afin de comprendre le potentiel thérapeutique de Fulvestrant, il est primordial d’étudier son impact sur ERα. Actuellement, la polyubiquitination et la dégradation de ERα sont les mécanismes les plus connus pour expliquer l’inactivation de ERα par Fulvestrant. Par ailleurs, en utilisant des modèles cellulaires ER+ et ER-; nous avons montré que les antioestrogènes totaux induisent une insolubilité de ERα indépendamment de leur capacité à induire sa dégradation. L’insolubilité corrèle avec l’association de ERα avec la matrice nucléaire et avec l’inhibition de sa transactivation. L’hélice H12 du domaine de liaison du ligand joue un rôle important dans l’insolubilité et l’inactivation de ERα par les antioestrogènes totaux. Par ailleurs, les antioestrogènes totaux se distinguent par leur capacité à induire la SUMOylation de ERα par SUMO1 et SUMO2/3. La SUMOylation est rapide et précède la dégradation de ERα dans cellules ER+. À l’aide de dérivés de l’antioestrogène total ICI 164, 384, nous avons montré que la chaine latérale des antioestrogènes totaux est à la base de l’induction de la SUMOylation et de l’inactivation de ERα. De plus, la SUMOylation semble être une marque d’inhibition, car la déSUMOylation restaure une activité de ERα en présence des antioestrogènes totaux. L’hélice H12 du LBD et le domaine de liaison à l’ADN sont requis pour l’induction de la SUMOylation. La recherche de protéines impliquées dans l’inactivation et dans la SUMOylation a permis d’identifier le facteur de remodelage de la chromatine ACF dans le même complexe que ERα. De manière similaire à la SUMOylation, le recrutement de ACF est précoce et constitue une propriété spécifique des antioestrogènes totaux. D’autre part, Fulvestrant induit le recrutement de ACF au niveau du promoteur du gène cible des oestrogènes pS2, ce qui suggère une contribution du remodelage de la chromatine dans les mécanismes d’action des antioestrogènes totaux. La surexpression de la DéSUMOylase SENP1 abolit le recrutement de ACF ce qui indique un rôle de la SUMOylation dans le recrutement de ACF. De même, l’hélice H12 du LBD de ERα constitue un lien entre l’inactivation de ERα et le recrutement de ACF. L’insolubilité, la SUMOylation et l'interaction du complexe ACF sont le reflet des mécanismes d’action des antioestrogènes totaux. Ces observations peuvent être utilisées comme des critères fonctionnels pour identifier d’autres composés avec de meilleures propriétés pharmacologiques que Fulvestrant.

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.