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 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.

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.

Vitronectin modulates human mesenchymal stem cell response to insulin-like growth factor-I and transforming growth factor beta 1 in a serum-free environment

The use of animal sera for the culture of therapeutically important cells impedes the clinical use of the cells. We sought to characterize the functional response of human mesenchymal stem cells (hMSCs) to specific proteins known to exist in bone tissue with a view to eliminating the requirement of animal sera. Insulin-like growth factor-I (IGF-I), via IGF binding protein-3 or -5 (IGFBP-3 or -5) and transforming growth factor-beta 1 (TGF-beta(1)) are known to associate with the extracellular matrix (ECM) protein vitronectin (VN) and elicit functional responses in a range of cell types in vitro. We found that specific combinations of VN, IGFBP-3 or -5, and IGF-I or TGF-beta(1) could stimulate initial functional responses in hMSCs and that IGF-I or TGF-beta(1) induced hMSC aggregation, but VN concentration modulated this effect. We speculated that the aggregation effect may be due to endogenous protease activity, although we found that neither IGF-I nor TGF-beta(1) affected the functional expression of matrix metalloprotease-2 or -9, two common proteases expressed by hMSCs. In summary, combinations of the ECM and growth factors described herein may form the basis of defined cell culture media supplements, although the effect of endogenous protease expression on the function of such proteins requires investigation.

A functional screen identifies lateral transfer of beta-glucuronidase (gus) from bacteria to fungi

Lateral gene transfer (LGT) from prokaryotes to microbial eukaryotes is usually detected by chance through genome-sequencing projects. Here, we explore a different, hypothesis-driven approach. We show that the fitness advantage associated with the transferred gene, typically invoked only in retrospect, can be used to design a functional screen capable of identifying postulated LGT cases. We hypothesized that beta-glucuronidase (gus) genes may be prone to LGT from bacteria to fungi (thought to lack gus) because this would enable fungi to utilize glucuronides in vertebrate urine as a carbon source. Using an enrichment procedure based on a glucose-releasing glucuronide analog (cellobiouronic acid), we isolated two gus(+) ascomycete fungi from soils (Penicillium canescens and Scopulariopsis sp.). A phylogenetic analysis suggested that their gus genes, as well as the gus genes identified in genomic sequences of the ascomycetes Aspergillus nidulans and Gibberella zeae, had been introgressed laterally from high-GC gram(+) bacteria. Two such bacteria (Arthrobacter spp.), isolated together with the gus(+) fungi, appeared to be the descendants of a bacterial donor organism from which gus had been transferred to fungi. This scenario was independently supported by similar substrate affinities of the encoded beta-glucuronidases, the absence of introns from fungal gus genes, and the similarity between the signal peptide-encoding 5' extensions of some fungal gus genes and the Arthrobacter sequences upstream of gus. Differences in the sequences of the fungal 5' extensions suggested at least two separate introgression events after the divergence of the two main Euascomycete classes. We suggest that deposition of glucuronides on soils as a result of the colonization of land by vertebrates may have favored LGT of gus from bacteria to fungi in soils.

Good results for early treatment of clinically isolated syndrome prior to multiple sclerosis with interferon beta-1b and glatiramer

Background: The first sign of developing multiple sclerosis is a clinically isolated syndrome that resembles a multiple sclerosis relapse. Objective/methods: The objective was to review the clinical trials of two medicines in clinically isolated syndromes (interferon β and glatiramer acetate) to determine whether they prevent progression to definite multiple sclerosis. Results: In the BENEFIT trial, after 2 years, 45% of subjects in the placebo group developed clinically definite multiple sclerosis, and the rate was lower in the interferon β-1b group. Then all subjects were offered interferon β-1b, and the original interferon β-1b group became the early treatment group, and the placebo group became the delayed treatment group. After 5 years, the number of subjects with clinical definite multiple sclerosis remained lower in the early treatment than late treatment group. In the PreCISe trial, after 2 years, the time for 25% of the subjects to convert to definite multiple sclerosis was prolonged in the glatiramer group. Conclusions: Interferon β-1b and glatiramer acetate slow the progression of clinically isolated syndromes to definite multiple sclerosis. However, it is not known whether this early treatment slows the progression to the physical disabilities experienced in multiple sclerosis.

A two-compartment mechanochemical model of the roles of transforming growth factor-beta and tissue tension in dermal wound healing

The repair of dermal tissue is a complex process of interconnected phenomena, where cellular, chemical and mechanical aspects all play a role, both in an autocrine and in a paracrine fashion. Recent experimental results have shown that transforming growth factor-beta (TGF-beta) and tissue mechanics play roles in regulating cell proliferation, differentiation and the production of extracellular materials. We have developed a 1D mathematical model that considers the interaction between the cellular, chemical and mechanical phenomena, allowing the combination of TGF-beta and tissue stress to inform the activation of fibroblasts to myofibroblasts. Additionally, our model incorporates the observed feature of residual stress by considering the changing zero-stress state in the formulation for effective strain. Using this model, we predict that the continued presence of TGF-beta in dermal wounds will produce contractures due to the persistence of myofibroblasts; in contrast, early elimination of TGF-beta significantly reduces the myofibroblast numbers resulting in an increase in wound size. Similar results were obtained by varying the rate at which fibroblasts differentiate to myofibroblasts and by changing the myofibroblast apoptotic rate. Taken together, the implication is that elevated levels of myofibroblasts is the key factor behind wounds healing with excessive contraction, suggesting that clinical strategies which aim to reduce the myofibroblast density may reduce the appearance of contractures.