Evidence that neuronal G-protein-gated inwardly rectifying K+ channels are activated by G beta gamma subunits and function as heteromultimers.

Guanine nucleotide-binding proteins (G proteins) activate K+ conductances in cardiac atrial cells to slow heart rate and in neurons to decrease excitability. cDNAs encoding three isoforms of a G-protein-coupled, inwardly rectifying K+ channel (GIRK) have recently been cloned from cardiac (GIRK1/Kir 3.1) and brain cDNA libraries (GIRK2/Kir 3.2 and GIRK3/Kir 3.3). Here we report that GIRK2 but not GIRK3 can be activated by G protein subunits G beta 1 and G gamma 2 in Xenopus oocytes. Furthermore, when either GIRK3 or GIRK2 was coexpressed with GIRK1 and activated either by muscarinic receptors or by G beta gamma subunits, G-protein-mediated inward currents were increased by 5- to 40-fold. The single-channel conductance for GIRK1 plus GIRK2 coexpression was intermediate between those for GIRK1 alone and for GIRK2 alone, and voltage-jump kinetics for the coexpressed channels displayed new kinetic properties. On the other hand, coexpression of GIRK3 with GIRK2 suppressed the GIRK2 alone response. These studies suggest that formation of heteromultimers involving the several GIRKs is an important mechanism for generating diversity in expression level and function of neurotransmitter-coupled, inward rectifier K+ channels.

Amino acid coevolution reveals three-dimensional structure and functional domains of insect odorant receptors.

Insect odorant receptors (ORs) comprise an enormous protein family that translates environmental chemical signals into neuronal electrical activity. These heptahelical receptors are proposed to function as ligand-gated ion channels and/or to act metabotropically as G protein-coupled receptors (GPCRs). Resolving their signalling mechanism has been hampered by the lack of tertiary structural information and primary sequence similarity to other proteins. We use amino acid evolutionary covariation across these ORs to define restraints on structural proximity of residue pairs, which permit de novo generation of three-dimensional models. The validity of our analysis is supported by the location of functionally important residues in highly constrained regions of the protein. Importantly, insect OR models exhibit a distinct transmembrane domain packing arrangement to that of canonical GPCRs, establishing the structural unrelatedness of these receptor families. The evolutionary couplings and models predict odour binding and ion conduction domains, and provide a template for rationale structure-activity dissection.

Pharmacological blockade of either cannabinoid CB1 or CB2 receptors prevents both cocaine-induced conditioned locomotion and cocaine-induced reduction of cell proliferation in the hippocampus of adult male rat.

Addiction to major drugs of abuse, such as cocaine, has recently been linked to alterations in adult neurogenesis in the hippocampus. The endogenous cannabinoid system modulates this proliferative response as demonstrated by the finding that pharmacological activation/blockade of cannabinoid CB1 and CB2 receptors not only modulates neurogenesis but also modulates cell death in the brain. In the present study, we evaluated whether the endogenous cannabinoid system affects cocaine-induced alterations in cell proliferation. To this end, we examined whether pharmacological blockade of either CB1 (Rimonabant, 3 mg/kg) or CB2 receptors (AM630, 3 mg/kg) would affect cell proliferation [the cells were labeled with 5-bromo-2'-deoxyuridine (BrdU)] in the subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricle and the dentate subgranular zone (SGZ). Additionally, we measured cell apoptosis (as monitored by the expression of cleaved caspase-3) and glial activation [by analyzing the expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and Iba-1] in the striatum and hippocampus during acute and repeated (4 days) cocaine administration (20 mg/kg). The results showed that acute cocaine exposure decreased the number of BrdU-immunoreactive (ir) cells in the SVZ and SGZ. In contrast, repeated cocaine exposure reduced the number of BrdU-ir cells only in the SVZ. Both acute and repeated cocaine exposure increased the number of cleaved caspase-3-, GFAP- and Iba1-ir cells in the hippocampus, and this effect was counteracted by AM630 or Rimonabant, which increased the number of BrdU-, GFAP-, and Iba1-ir cells in the hippocampus. These results indicate that the changes in neurogenic, apoptotic and gliotic processes that were produced by repeated cocaine administration were normalized by pharmacological blockade of CB1 and CB2. The restorative effects of cannabinoid receptor blockade on hippocampal cell proliferation were associated with the prevention of the induction of conditioned locomotion but not with the prevention of cocaine-induced sensitization.

High level expression of human neuropeptide Y receptors in mammalian cells infected with a recombinant vaccinia virus.

Neuropeptide Y (NPY) is a 36 amino acid peptide present in the central and peripheral nervous system. Numerous studies point to a role of NPY in cardiovascular regulation. NPY effects are mediated through stimulation of specific cell surface G protein-coupled receptors. To allow biochemical studies of the receptor and of its interaction with the ligand, we have developed a potent expression system for NPY receptors using a recombinant vaccinia virus. A human NPY receptor cDNA was fused to a strong vaccinia virus promoter and inserted into the viral genome by homologous recombination. Recombinant viruses were isolated and tested for their ability to induce NPY binding site expression following infection of mammalian cell lines. Using saturation and competition binding experiments we measured a Bmax of 5-10 x 10(6) NPY binding sites per cell. The Kd for the binding of NPY is about 20 nM. Labelling of infected cells with a fluorochrome-labelled NPY indicated that the recombinant protein integrates into the cell membrane.

Complex interplay between LPS and IL-10 in dendritic cells: uncoupling of inflammatory chemokine receptors and positive effects on B cell chemokines

Abstract: Protective immune responses against pathogen invasion and transformed cells requires the coordinated action of distinct leukocyte subsets and soluble factors, overall termed immunological network. Among antigen-presenting cells (APC), a crucial role is played by dendritic cells (DC), which initiate, amplify and determine the outcome of the immune response. Micro-environmental conditions profoundly influence DC in such ways that the resulting immune response ranges from successful immune stimulation to abortive response or immune suppression. For instance, the presence in the milieu of anti-inflammatory cytokine interleukin-10 (IL-10) reverts most of the effects mediated on DC by even strong pro-inflammatory agents such as bacterial Lipopolysaccharide (LPS), in terms of differentiation, activation and functions. In an environment containing both LPS and IL-10, uncoupling of receptors for inflammatory chemokines already occurs after a few hours and in a reversible manner on DC, allowing scavenging of chemokines and, consequently, attenuation of the inflammatory process which could be deleterious to the organism. By studying the effects on DC of concomitant stimulation by LPS and IL-10 from the gene expression point of view, we were able to define four distinct transcriptional programs: A. the inhibition of inflammation and immunity, B. the regulation of tissue remodeling, C. the tuning of cytokine/growth factor receptors and G protein-coupled receptors, D. the stimulation of B cell function and lymphoid tissue neogenesis. Among the latter genes, we further demonstrated that IL-10 synergizes with Toll-like receptor ligands for the production of functionally active B cell attracting chemokine CXCL13. Our data provide evidence that the combined exposure of APC to LPS and IL-10, via the production of CXCL13, involves humoral immunity by attracting antibody-producing cells. It is well known that the persistent release of CXCL13 leads to the development of ectopic lymphoid tissue aggregates and production of high levels of antibodies, thus favoring the induction of auto-immunity. Our findings suggest that the IL-10 produced in chronic inflammatory conditions may promote lymphoid tissue neogenesis through increased release of CXCL13. IL-10 is an anti-inflammatory cytokine inhibiting cellular-mediated TH 1-polarized immune responses. In this study we demonstrate that IL- 10 strongly supports the development of humoral immunity. IL-10 and CXCL13 can thus be targets for specific therapies in auto-immune diseases.

The α1-adrenergic receptors: diversity of signaling networks and regulation.

The α(1)-adrenergic receptor (AR) subtypes (α(1a), α(1b), and α(1d)) mediate several physiological effects of epinephrine and norepinephrine. Despite several studies in recombinant systems and insight from genetically modified mice, our understanding of the physiological relevance and specificity of the α(1)-AR subtypes is still limited. Constitutive activity and receptor oligomerization have emerged as potential features regulating receptor function. Another recent paradigm is that β arrestins and G protein-coupled receptors themselves can act as scaffolds binding a variety of proteins and this can result in growing complexity of the receptor-mediated cellular effects. The aim of this review is to summarize our current knowledge on some recently identified functional paradigms and signaling networks that might help to elucidate the functional diversity of the α(1)-AR subtypes in various organs.

Lipoproteins and mitogen-activated protein kinase signaling: a role in atherogenesis?

PURPOSE OF REVIEW: Lipoproteins play a critical role in the development of atherosclerosis, which might result partly from their capacity to induce specific intracellular signaling pathways. The goal of this review is to summarize the signaling properties of lipoproteins, in particular, their capacity to induce activation of mitogen-activated protein kinase pathways and the resulting modulation of cellular responses in blood vessel cells. RECENT FINDINGS: Lipoproteins activate the extracellular signal-regulated kinase and p38 mitogen-activated protein kinase pathways in all blood vessel cell types. This may require lipoprotein docking to scavenger receptor B1, allowing transfer of cholesterol and sphingosine-1-phosphate to plasma membranes. Subsequent propagation of the signals probably requires the stimulation of G protein-coupled receptors, followed by the transactivation of receptor tyrosine kinases. Lipoprotein-induced extracellular signal-regulated kinase activity favors cell proliferation, whereas lipoprotein-induced p38 mitogen-activated protein kinase activity leads to cell hyperplasia and promotes cell migration. Some signaling pathways and cellular effects induced by lipoproteins have been observed in atherosclerotic plaques and therefore represent potential targets for the development of anti-atherosclerotic drugs. SUMMARY: The main blood vessel cell types have the capacity to activate protein kinase pathways in the presence of lipoproteins. This induces cell proliferation, hyperplasia and migration, known to be dysregulated in atherosclerotic lesions.

The alpha1-adrenergic receptors in cardiac hypertrophy: Signaling mechanisms and functional implications.

Cardiac hypertrophy is a complex remodeling process of the heart induced by physiological or pathological stimuli resulting in increased cardiomyocyte size and myocardial mass. Whereas cardiac hypertrophy can be an adaptive mechanism to stressful conditions of the heart, prolonged hypertrophy can lead to heart failure which represents the primary cause of human morbidity and mortality. Among G protein-coupled receptors, the α1-adrenergic receptors (α1-ARs) play an important role in the development of cardiac hypertrophy as demonstrated by numerous studies in the past decades, both in primary cardiomyocyte cultures and genetically modified mice. The results of these studies have provided evidence of a large variety of α1-AR-induced signaling events contributing to the defining molecular and cellular features of cardiac hypertrophy. Recently, novel signaling mechanisms have been identified and new hypotheses have emerged concerning the functional role of the α1-adrenergic receptors in the heart. This review will summarize the main signaling pathways activated by the α1-AR in the heart and their functional implications in cardiac hypertrophy.

Fluorescent ligands for studying neuropeptide receptors by confocal microscopy

This paper reviews the use of confocal microscopy as it pertains to the identification of G-protein coupled receptors and the study of their dynamic properties in cell cultures and in mammalian brain following their tagging with specific fluorescent ligands. Principles that should guide the choice of suitable ligands and fluorophores are discussed. Examples are provided from the work carried out in the authors' laboratory using custom synthetized fluoresceinylated or BODIPY-tagged bioactive peptides. The results show that confocal microscopic detection of specifically bound fluorescent ligands permits high resolution appraisal of neuropeptide receptor distribution both in cell culture and in brain sections. Within the framework of time course experiments, it also allows for a dynamic assessment of the internalization and subsequent intracellular trafficking of bound fluorescent molecules. Thus, it was found that neurotensin, somatostatin and mu- and delta-selective opioid peptides are internalized in a receptor-dependent fashion and according to receptor-specific patterns into their target cells. In the case of neurotensin, this internalization process was found to be clathrin-mediated, to proceed through classical endosomal pathways and, in neurons, to result in a mobilization of newly formed endosomes from neural processes to nerve cell bodies and from the periphery of cell bodies towards the perinuclear zone. These mechanisms are likely to play an important role for ligand inactivation, receptor regulation and perhaps also transmembrane signaling.

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.

Développement d'un biosenseur BRET permettant le criblage de drogues qui causent l'activation de canaux Kir3 via les récepteurs couplés aux protéines G

Les récepteurs couplés aux protéines G forment des complexes multimériques comprenant protéines G et effecteurs. Nous cherchons à caractériser de tels complexes comprenant les récepteurs opioïdes delta (DOR) et les canaux Kir3, qui nous sont d’intérêt vu leur implication dans l’analgésie des opioïdes. Des expériences d’immunopurification, de BRET et de liaison GTPgS ont été réalisées à l’intérieur de cellules HEK293 transfectées. Les canaux Kir3 ont été co-immunopurifiés avec les DOR, suggérant une interaction spontanée entre récepteur et effecteur. Des essais BRET ont corroboré que l’interaction était présente dans des cellules vivantes et nous ont permis d’identifier une interaction spontanée et spécifique entre DOR/Gg et Gg/Kir3, indiquant leur coexistence en un même complexe. Puisque l’activation du récepteur implique la présence de changements conformationnels à l’intérieur de celui-ci, nous étions intéressés à vérifier si l’information conformationnelle circule à partir du récepteur lié au ligand jusqu’à l’effecteur en aval. Ainsi, nous avons déterminé l’effet de différents ligands sur le signal BRET généré par les paires suivantes : DOR/Gbg, DOR/Kir3 et Kir3/Gbg. Nous avons constaté une modulation de l’interaction DOR/Gbg et Gbg/Kir3 suivant l’ordre d’efficacité des ligands à stimuler la protéine G, ce que nous n’avons pas observé entre DOR et Kir3. Donc, nous concluons que l’information conformationnelle circule du récepteur au canal Kir3 via la protéine Gbg. Ces résultats nous ont permis de développer un biosenseur BRET (EYFP-Gg2/Kir3.1-Rluc) qui pourrait être utilisé dans le criblage à haut débit afin de détecter de nouvelles molécules ayant une grande efficacité à activer les canaux Kir3.

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.

Functional Analysis of Nuclear beta-Adrenergic Receptors in the Myocardium

Récemment plusieurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) ont été caractérisés au niveau des membranes intracellulaires, dont la membrane nucléaire. Notre objectif était de déterminer si les sous-types de récepteurs β-adrénergiques (βAR) et leurs machineries de signalisation étaient fonctionnels et localisés à la membrane nucléaire des cardiomyocytes. Nous avons démontré la présence des β1AR et β3AR, mais pas du β2AR à la membrane nucléaire de myocytes ventriculaires adultes par immunobuvardage, par microscopie confocale, et par des essais fonctionnels. De plus, certains partenaires de signalisation comme les protéines GαS, Gαi, l’adénylate cyclase II, et V/VI y étaient également localisés. Les sous-types de βAR nucléaires étaient fonctionnels puisqu'ils pouvaient lier leurs ligands et activer leurs effecteurs. En utilisant des noyaux isolés, nous avons observé que l'agoniste non-sélectif isoprotérénol (ISO), et que le BRL37344, un ligand sélectif du β3AR, stimulaient l'initiation de la synthèse de l’ARN, contrairement à l'agoniste sélectif du β1AR, le xamotérol. Cette synthèse était abolie par la toxine pertussique (PTX). Cependant, la stimulation des récepteurs nucléaires de type B de l’endothéline (ETB) causaient une réduction de l'initiation de la synthèse d’ARN. Les voies de signalisations impliquées dans la régulation de la synthèse d’ARN par les RCPGs ont ensuite été étudiées en utilisant des noyaux isolés stimulés par des agonistes en présence ou absence de différents inhibiteurs des voies MAP Kinases (proteines kinases activées par mitogènes) et de la voie PI3K/PKB. Les protéines impliquées dans les voies de signalisation de p38, JNK, ERK MAP Kinase et PKB étaient présents dans les noyaux isolés. L'inhibition de PKB par la triciribine, inhibait la synthèse d’ARN. Nous avons ensuite pu mettre en évidence par qPCR que la stimulation par l’ISO entrainait une augmentation du niveau d'ARNr 18S ainsi qu’une diminution de l'expression d’ARNm de NFκB. En contraste, l’ET-1 n’avait aucun effet sur le niveau d’expression de l’ARNr 18S. Nous avons ensuite montré que la stimulation par l’ISO réduisait l’expression de plusieurs gènes impliqués dans l'activation de NFκB, tandis que l’inhibition de ERK1/2 et PKB renversait cet effet. Un microarray global nous a ensuite permis de démontrer que les βARs et les ETRs nucléaires régulaient un grand nombre de gènes distincts. Finalement, les βARs et ETRs nucléaires augmentaient aussi une production de NO de noyaux isolés, ce qui pouvait être inhibée par le LNAME. Ces résultats ont été confirmés dans des cardiomyocytes intacts en utilisant des analogues cagés et perméables d’ISO et de l'ET-1: l'augmentation de NO nucléaire détectée par DAF2-DA, causée par l'ET-1 et l'ISO, pouvait être prévenue par le LNAME. Finalement, l’augmentation de l’initiation de la transcription induite par l'ISO était aussi bloquée par le L-NAME ou par un inbitheur de PKG, le KT5823, suggérant que la voie NO-GC-PKG est impliquée dans la régulation de la transcription par les βAR. En conclusion, les βARs et les ETRs nucléaires utilisent des voies de signalisation différentes et exercent ainsi des effets distincts sur l’expression des gènes cardiaques. Ils représentent donc une avenue intéressante pour le développement de drogues pharmacologiques.

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.

Oligomers of D-2 dopamine receptors - Evidence from ligand binding

There is increasing evidence that G protein-coupled receptors form oligomers and that this might be important for their function. We have studied this phenomenon for the D-2 dopamine receptor and have shown-using a variety of biochemical and biophysical techniques-that this receptor forms dimers or higher-order oligomers. Using ligand-binding studies, we have also found evidence that this oligomer formation has functional relevance. Thus, for the receptor expressed in either CHO cells or Sf 9 insect cells, the binding properties of several radioligands (in saturation, competition, and dissociation assays) do not conform to those expected for a monomeric receptor with a single binding site. We propose that the receptors exist in oligomers with homotropic and heterotropic negatively cooperative interactions between ligands.