Représentant environ 45% de tous les gliomes, le GBM est la tumeur cérébrale la plus agressive chez l’adulte. Comme nous l’avons décrit dans l’introduction de ce manuscrit, le caractère très hétérogène du GBM associé aux signatures moléculaires et expressions géniques, mais également aux conditions microenvironnementales hypoxique et inflammatoire, contribuent à la récidive quasi-systématique après exérèse complète-radio/chimiothérapie, et expliquent les nombreux échecs thérapeutiques. Malgré l’arsenal thérapeutique potentiellement disponible, appliqué parfois de manière multimodale, la survie des patients atteints de GBM n’est pas significativement améliorée, les défis à relever pour améliorer cette survie et la qualité de vie des patients restent énormes. Ainsi, l'identification de facteurs exprimés de manière différentielle qui pourraient mieux définir le comportement agressif des cellules de GBM fournirait une base pour le développement de thérapies innovantes et peut-être plus efficaces. Une des caractéristiques des GBMs est leur capacité très migratoire et invasive, relayées principalement par des facteurs chimiotactiques dans un microenvironnement tumoral hypoxique et inflammatoire. Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) et leurs ligands, particulièrement les RCPGs de chimiokines, surexprimés dans les GBMs et stimulant la migration chimiotactique, l’invasion et l’angiogenèse jouent un rôle majeur dans le développement des GBMs et l'acquisition d'un phénotype agressif. Dans ce contexte, notre équipe avait démontré que le récepteur UT de l’urotensine II (UII), une chimiokine peptidique pro-angiogénique et pro-inflammatoire, ainsi que le système chimiokine bien connu SDF-1a/CXCR4 semblent systématiquement co-exprimés dans les GBMs, plus spécifiquement dans les zones vasculaires et périnécrotiques, montrant une corrélation avec le grade des gliomes. In vitro, nous avions aussi établi que l’UII/UT stimule la migration chimiotactique des cellules de GBM via les couplages de type Gαi/PI3K et Gα13/Rho/ROCK, des couplages précédemment mis en évidence pour le système SDF-1α/CXCR4 et d’autres RCPGs chimiotactiques. De plus, une récente analyse de la base de données TCGA (The Cancer Genome Atlas) en composante principale réalisée par Alexandre Mutel, étudiant en thèse dans l’équipe, a permis d’identifier la signature d’expression des RCPGs exprimés dans les gliomes et particulièrement dans les GBMs, qui révèle un nombre très important de RCPGs chimiotactiques. Dans l’ensemble, leur expression et activité signalisante redondantes fréquemment associées à la tumorigenèse, en particulier dans les GBMs, soulignent l’intérêt d’étudier les noeuds de signalisation communs à l’ensemble de ces RCPGs chimiokines. Ces noeuds sont principalement représentés par les protéines G hétérotrimériques composées des sous-unité α, β et γ, qui couplent ces RCPGs et relayent les effecteurs secondaires intracellulaires, probablement essentiels à la régulation de l’agressivité des GBMs. Ainsi, l’objectif de mon travail de thèse était d’identifier les principales protéines Ga, b et g parmi les 31 protéines G exprimées chez l’Homme dans les gliomes et celles plus spécifiquement associées au degré de malignité, et à l’agressivité des GBMs puis à déterminer le rôle d’une de ces protéines G dans les mécanismes de prolifération et d’invasion de cellules de GBM. Dans un premier temps, nous avons analysé l’expression des 31 sous-unités (15α, 5β et 11γ) de protéines G sur la base de données transcriptomiques du The Cancer Genome Atlas (TCGA), et démontré que les niveaux d'ARNm codant pour les sous-unités Gαz, Gαi1, Gβ4, Gβ5 et Gγ3 sont relativement faibles dans les GBMs tandis que les sous-unités Gα12, Gα13, Gα15, Gαi2, Gαi3, Gβ2, Gγ5, Gγ11 et Gγ12 sont particulièrement surexprimées dans les GBMs et sont associées à un mauvais pronostic en termes de récidive et de survie du patient. / GBM is the most common (∼45% of all gliomas) and aggressive primary malignant brain tumor in adults. As described in this document's introduction, GBM highly heterogeneous phonotype associated with molecular signatures and gene expressions, but also with hypoxic and inflammatory microenvironmental conditions, contribute to frequent recurrence after complete resection-radio/chemotherapy, and explain the multiple therapeutic failures. Most of the current treatment options for GBM, although sometimes multimodal, the survival of GBM patients is not significantly improved, and the challenges to improve patient survival and quality of life remain enormous. Thus, the identification of differentially expressed factors that could better define the biological behavior of GBM, would provide a basis for the development of novel therapies and may be more effective. One of the characteristics of GBMs is their highly migratory and invasive properties, relayed mainly by chemotactic factors belonging to the hypoxic and inflammatory tumor microenvironment. G-protein coupled receptors (GPCRs) and their ligands, particularly the chemokines GPCRs, overexpressed in GBMs and stimulating migration, invasion and neoangiogenesis, play a key role in the development of GBM and the acquisition of an aggressive phenotype. In this context, our team demonstrated that UT, the receptor of urotensin II (UII), a pro-angiogenic and pro-inflammatory chemokine, as well as the well-known chemokine system SDF-1/CXCR4 are systematically co-expressed in GBMs particularly in vascular and perinecrotic areas and their expression are correlated with grade. We also demonstrated in vitro that UII/UT stimulate GBM cells chemotactic migration and invasion via activation of the pathways Gαi/PI3K and Gα13/Rho/ROCK, pathways that have previously been identified for the SDF-1α/CXCR4 system and other chemotactic GPCRs. In addition, a recent principal component analysis of TCGA (The Cancer Genome Atlas) database performed by Alexandre Mutel, PhD student in the team, has identified the expression signature of GPCRs in gliomas and particularly those which are overexpressed in mesenchymal GBM, among which many chemotactic GPCRs are included. Taking together, their redundant expression and signaling activity frequently associated with tumorigenesis, particularly in GBMs, raises the issue of studying signaling nodes common to all these GPCRs. These nodes, are primarily represented by heterotrimeric G proteins, composed of α, β and γ subunits, that couple these GPCRs relaying many intracellular secondary effectors, probably essentials in the regulation of GBM aggressiveness. In this context, the aim of my thesis work was to identify the main Ga, b and g subunits among the 31 G proteins expressed in human gliomas and those more specifically associated with the malignant grade, and the aggressiveness of GBMs and then to determine the role of one of these specific G proteins in GBM cells proliferation and invasion mechanisms. For that, we first analyzed the expression of the 31 subunits (15α, 5β and 11γ) of G proteins from the TCGA database and showed that the mRNA expression of Gαz, Gαi1, Gβ4, Gβ5 et Gγ3 are relatively low in GBMs while Gα12, Gα13, Gα15, Gαi2, Gαi3, Gβ2, Gγ5, Gγ11 and Gγ12 subunits, are particularly overexpressed in GBM and are associated with a poor prognosis in terms of recurrence and patient survival.

The D3 dopamine receptor (D3R) belongs to D2-class of dopamine receptors (DARs) and is involved in emotion, movement, and reward. D3R dysfunction has been reported in some neuropsychiatric disorders such as addiction, cognitive deficits, depression, schizophrenia, and Parkinson’s disease. Genetic studies have shown two polymorphic variants of the D3R gene resulting from substitution of serine to glycine at position nine of the amino terminus. Isoform 5 of adenylyl cyclase (AC5) is one of the nine transmembrane bound ACs in the brain and myocardium. Previous studies in rats have shown that AC5 is expressed in the striatum, nucleus accumbens and olfactory tubercle and at lower levels in islands of Calleja, where the D3R is also expressed. Previous studies showed that although D2R and D4R inhibit ACs activity in different cell types, inhibition of ACs by D3R is weak and often undetectable. It has been shown that D3R selectively inhibits AC5 activity in human embryonic kidney 293 (HEK293) cells co-transfected with D3R and AC5. Co-expression of D3R and AC5 in brain regions which are major coordinators of normal and pathological movement, and the selective inhibition of AC5 activity by D3R raise the possibility of a functional link between AC5 and D3R in the modulation of signal transduction and trafficking. I hypothesized that AC5 plays a unique role in modulation of D3R trafficking and signaling pathways through interaction between D3R and AC5. Herein, I demonstrated an interaction between D3R and AC5 in vivo and in vitro using reciprocal co-immunoprecipitation/immunoblotting (co-IP/IB) assays. Interestingly, DA may facilitate the formation of protein complex between D3R and AC5 in vitro. Radio ligand binding assays revealed that heterodimerization of D3R polymorphic variants with AC5 does not change ligand binding affinity and expression of the D3R. Furthermore, taking advantages of GloSensor assays, selective inhibition of AC5 activity by D3Ser9 and D3Gly9 has been shown following activation by DA and quinpirole. Using ELISA studies showed that AC5 promotes cell surface expression and total expression of D3Ser9 and D3Gly9. Moreover, ELISA results suggested that AC5 facilitates DA-induced D3Ser9 endocytosis in dynamin and β-arrestin 2 dependent process, while having no effect on D3Gly9 polymorphic variant. The results also revealed that AC5 attenuates heterologous (PKC-induced) internalization of D3Ser9, while it does not have any effect on D3Gly9 heterologous internalization. My results also displayed a complex formation between D3R, AC5 and, β-arrestin 2 under basal and DA stimulation conditions, which emphasize the role of β-arrestin 2 in D3R signal transduction. Overall, a new regulatory mechanism for D3R has been suggested. My results suggested that complex formation between both D3R polymorphic variants with AC5 can regulate signaling and trafficking properties of D3R without changing the binding affinity of the receptor. These data will be meaningful for understanding of diseases and developing treatment strategies.

Characterization of new pharmacological targets is a promising approach in research of neurorepair mechanisms. The G protein-coupled receptor 17 (GPR17) has recently been proposed as an interesting pharmacological target, e.g., in neuroregenerative processes. Using the well-established ex vivo model of organotypic slice co-cultures of the mesocortical dopaminergic system (prefrontal cortex (PFC) and substantia nigra/ventral tegmental area (SN/VTA) complex), the influence of GPR17 ligands on neurite outgrowth from SN/VTA to the PFC was investigated. The growthpromoting effects of Montelukast (MTK; GPR17- and cysteinyl-leukotriene receptor antagonist), the glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and of two potent, selective GPR17 agonists (PSB-16484 and PSB-16282) were characterized. Treatment with MTK resulted in a significant increase in mean neurite density, comparable with the effects of GDNF. The combination of MTK and GPR17 agonist PSB-16484 significantly inhibited neuronal growth. qPCR studies revealed an MTK-induced elevated mRNA-expression of genes relevant for neuronal growth. Immunofluorescence labelling showed a marked expression of GPR17 on NG2-positive glia. Western blot and RT-qPCR analysis of untreated cultures suggest a time-dependent, injury-induced stimulation of GPR17. In conclusion, MTK was identified as a stimulator of neurite fibre outgrowth, mediating its effects through GPR17, highlighting GPR17 as an interesting therapeutic target in neuronal regeneration.

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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 / Cellular communication is an important phenomenon for the maintenance of cellular homeostasis. Recently, important progress has been made in the cell signalling research field concerning the identification of the major actors and the cellular pathways engaged in response to these extracellular factors. However, in spite of this new information, the interrelationships at the molecular level between the various cellular actors and the different signalling pathways remain badly understood. Bioluminescence resonance energy transfer (BRET) monitors interactions between proteins and can be used in two configurations, the BRET480-YFP (also known as BRET1) and the BRET400-GFP (also known as BRET2). Following oxidation of its substrate, renilla luciferase transfers its energy to a fluorescent protein, only if they are in close proximity (≤100Å). By combining the BRET480-YFP and BRET400-GFP in one assay, it is possible to follow three pair-wise interactions in the same cellular population. However, using two bioluminescence reaction substrates limits the possibility of measuring the different BRET signals simultaneously. In order to measure multiple BRET signals simultaneously, three new BRET configurations, based on the BRET400-GFP, were developed using fluorescent proteins with different emission wavelengths. Two of the new BRET colors which have resolved emission wavelengths, the BRET400-BFP and BRET400mAmetrine, were combined for measuring the heterotrimeric G protein engagement by the vasopressin V2 receptor, as well as the accumulation of the second messenger. Combining these new BRET techniques reveals for the first time the formation of a complex between the α2A adrenergic receptor (α2AAR), Gαi1, the Gβγ dimer and G protein-receptor kinase (GRK2) following receptor activation. Moreover, only the entry of GRK2 into the receptor complex is required for the α2AAR desensitization, by inserting between Gαi1 and Gβγ. On the other hand, the stabilization of the interaction between α2AAR and β-arrestin2 requires the kinase activity of GRK2. Another study revealed the importance of multiple Gα subunits for calcium mobilization induced upon activation of the delta opioid receptor (DOR). Gαq subfamily member overexpression altered the DOR-induced calcium mobilization, but this Gαq calcium mobilization remained sensitive to pre-treatement pertussis toxin, through selective inhibition of the activity of Gαi members. Moreover, Gαi and Gαq co-expression potentiated calcium mobilization, suggesting an interrelationship between these two Gα families in DOR signaling. This Gαi and Gαq interrelationship could result from the formation of a complex close to the receptor. In order to test this hypothesis, BRET experiments were performed, with the aim of measuring the presence of complexes between different Gα. In addition to demonstrating complex formation between Gα subunits, the BRET experiments in parallel with sequence analysis, also revealed a selective interaction site between the Gα, the α4 helix. By swapping the a4 helix of Gαi with the α4 helix of Gα12, which doesn’t normally interact with Gα12, it was possible to force the interaction between Gα12 and Gαi to confirm that this α helix contains information concerning the selectivity of interactions between Gα subunits. During this thesis, new methods were to detect protein interactions and multiplexing these methods allowed the detection of novel interactions between signalling effectors of GPCRs.

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 / Cellular communication is an important phenomenon for the maintenance of cellular homeostasis. Recently, important progress has been made in the cell signalling research field concerning the identification of the major actors and the cellular pathways engaged in response to these extracellular factors. However, in spite of this new information, the interrelationships at the molecular level between the various cellular actors and the different signalling pathways remain badly understood. Bioluminescence resonance energy transfer (BRET) monitors interactions between proteins and can be used in two configurations, the BRET480-YFP (also known as BRET1) and the BRET400-GFP (also known as BRET2). Following oxidation of its substrate, renilla luciferase transfers its energy to a fluorescent protein, only if they are in close proximity (≤100Å). By combining the BRET480-YFP and BRET400-GFP in one assay, it is possible to follow three pair-wise interactions in the same cellular population. However, using two bioluminescence reaction substrates limits the possibility of measuring the different BRET signals simultaneously. In order to measure multiple BRET signals simultaneously, three new BRET configurations, based on the BRET400-GFP, were developed using fluorescent proteins with different emission wavelengths. Two of the new BRET colors which have resolved emission wavelengths, the BRET400-BFP and BRET400mAmetrine, were combined for measuring the heterotrimeric G protein engagement by the vasopressin V2 receptor, as well as the accumulation of the second messenger. Combining these new BRET techniques reveals for the first time the formation of a complex between the α2A adrenergic receptor (α2AAR), Gαi1, the Gβγ dimer and G protein-receptor kinase (GRK2) following receptor activation. Moreover, only the entry of GRK2 into the receptor complex is required for the α2AAR desensitization, by inserting between Gαi1 and Gβγ. On the other hand, the stabilization of the interaction between α2AAR and β-arrestin2 requires the kinase activity of GRK2. Another study revealed the importance of multiple Gα subunits for calcium mobilization induced upon activation of the delta opioid receptor (DOR). Gαq subfamily member overexpression altered the DOR-induced calcium mobilization, but this Gαq calcium mobilization remained sensitive to pre-treatement pertussis toxin, through selective inhibition of the activity of Gαi members. Moreover, Gαi and Gαq co-expression potentiated calcium mobilization, suggesting an interrelationship between these two Gα families in DOR signaling. This Gαi and Gαq interrelationship could result from the formation of a complex close to the receptor. In order to test this hypothesis, BRET experiments were performed, with the aim of measuring the presence of complexes between different Gα. In addition to demonstrating complex formation between Gα subunits, the BRET experiments in parallel with sequence analysis, also revealed a selective interaction site between the Gα, the α4 helix. By swapping the a4 helix of Gαi with the α4 helix of Gα12, which doesn’t normally interact with Gα12, it was possible to force the interaction between Gα12 and Gαi to confirm that this α helix contains information concerning the selectivity of interactions between Gα subunits. During this thesis, new methods were to detect protein interactions and multiplexing these methods allowed the detection of novel interactions between signalling effectors of GPCRs.

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. / Recently several G protein-coupled receptors (GPCRs) have been shown to localize to intracellular membranes, in particular the nuclear membrane. As such, we sought to determine if the β-adrenergic receptor (βAR) subtypes and their associated signalling machinery are functionally localized to nuclear membranes. We demonstrated the presence of β1AR and the β3AR, but not the β2AR, in adult ventricular myocyte nuclei by western blotting, confocal microscopy and functional assays. Downstream signalling partners such as GαS, Gαi and adenylyl cyclase II and V/VI were also present. Nuclear-localized βARs were functional with respect to ligand binding and effector activation. In isolated nuclei, the non-selective βAR agonist isoproterenol (ISO) and the β3AR-selective ligand BRL37344, but not the β1AR-selective xamoterol, stimulated transcription initiation in a pertussis toxin (PTX)-sensitive manner. In contrast, stimulation of type B endothelin receptors (ETB), another GPCR family shown to be present on the nuclear membrane, decreased de novo RNA synthesis. To investigate the signalling pathway(s) involved in GPCR-mediated regulation of RNA synthesis, nuclei were isolated from intact adult rat hearts and treated with receptor agonists in the presence or absence of inhibitors of the PI3K/PKB and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. Components of p38, JNK, and ERK1/2 MAPK cascades as well as PKB were detected in nuclear preparations. Inhibition of PKB with triciribine converted the activation of the βAR from stimulatory to inhibitory with regards to transcription initiation. Analysis by qPCR indicated isoproterenol treatment increased 18S rRNA but decreased NFκB mRNA. In contrast, ET-1 had no effect on 18S rRNA expression. Further investigation using pathway-specific PCR arrays revealed that isoproterenol treatment also reduced the expression of several other genes involved in the activation of NFκB and that ERK1/2 and PKB inhibitors attenuated this effect. Subsequent genome-wide microarray analysis has revealed that nuclear βAR and ETB regulated a host of genes in an overlapping but distinct manner. Moreover, both ET-1 and ISO produced an L-NAME-sensitive increase in NO production in isolated cardiac nuclei. These observations were confirmed in intact cardiomyocytes using novel caged analogues of ISO and ET-1 and the cell-permable NO-sensitive fluorescent dye, DAF-2 DA. Briefly, both ET-1 and isoproterenol increased NO production, and this increase was prevented upon preincubation with L-NAME. Moreover, the ability of isoproterenol to increase transcription initiation in isolated nuclei was blocked by L-NAME or the PKG inhibitor KT5823, indicating the NO-GC-PKG pathway is involved in the regulation of gene expression by nuclear βARs. Hence, we have shown that βARs and ETRs in the nuclear membrane activate distinct signalling pathways, resulting in different effects on gene transcription and thus represent potentially important targets for drug development.

Les maladies inflammatoires de l’intestin (MIIs) comprennent la colite ulcéreuse (CU) et la maladie de Crohn (MC). Elles résultent en l’inflammation chronique du tractus gastro-intestinal. Des études d’association pan-génomiques ont associé le locus 14q31, incluant les gènes galactosylceramidase (GALC) et G protein-coupled receptor 65 (GPR65), à ces pathologies. Nous avons déterminé que le variant le plus associé aux MIIs de cette région (rs8005161; p=2,35x10-14) est parfaitement corrélé (r2=1) à un variant codant dans le gène GPR65 (rs3742704: Ile231Leu). GPR65 code pour un récepteur couplé à des protéines G (RCPG) senseur de pH. Nous avons observé que GPR65 est exprimé dans les tissus lymphoïdes et mucoïdes en plus des lignées cellulaires immunitaires et des cellules immunes primaires humaines. Son expression augmente significativement dans les biopsies inflammées de patients atteints de la CU comparativement à des biopsies non-inflammées ou à des biopsies d’individus sains. GPR65, lorsqu’activée par un pH acide, stimule l’accumulation d’AMPc, la formation de fibres de stress et l’activation de la voie RhoA. GPR65 semble donc être un bon candidat pour l’étude de l’étiologie des MIIs. Nos objectifs étaient donc de définir les voies découlant de l’activation de GPR65 et d’évaluer l’impact de GPR65*231Leu sur ces voies. Nous avons utilisé des HEK293 exprimant de façon stable l’une ou l’autre des deux allèles de GPR65 et déficientes pour Gαs/olf, Gαq/11 ou Gα12/13 puisqu’il est connu que Gαs/olf activent l’adénylate cyclase, Gαq/11 mènent au relâchement de Ca2+ intracellulaire et peuvent activer certaines isoformes de l’adénylate cyclase et Gα12/13 régulent le remodelage du cytosquelette d’actine. Nous avons démontré que l’accumulation d’AMPc dépendante de l’activation de GPR65 par un pH acide est causée, au moins en partie, aux voies Gαs/olf et peu ou pas aux voies Gαq/11. Il ne semble pas y avoir un effet du variant GPR65*231Leu sur ces voies. Cependant, nous avons observé que le variant GPR65*231Leu réduit la formation de fibres de stress et inhibe l’accumulation d’actine filamenteuse (F-actine) dépendantes de l’activation de GPR65 par un pH acide. Des données préliminaires nous montrent que la formation de fibres de stress est causée, au moins en partie, aux voies G12/13. En conclusion, nous avons démontré que GPR65 active les voies Gαs/olf et Gα12/13 et que le variant codant associé aux MIIs altère le remodelage de l’actine. GPR65 pourrait donc potentiellement avoir un rôle dans la pathologie des MIIs. / Inflammatory bowel diseases, mainly comprising of ulcerative colitis (UC) and Crohn’s disease (CD), result in the chronic inflammation of the gastrointestinal tract. Genome-wide association studies have associated the 14q31 locus, including the genes galactosylceramidase (GALC) and G protein-coupled receptor 65 (GPR65), to those phenotypes. The most associated variant in this region for IBD (rs8005161; p=2,35x10-14) is correlated (r2=1) to a missense coding variant of GPR65 (rs3742704: Ile231Leu). GPR65 encodes a pH-sensing G protein-coupled receptor (GPCR). We observed that GPR65 is expressed in lymphoid and mucosal tissues as well as in immune cell lines and human primary immune cells. We also found that its expression is significantly increased in inflamed biopsies from UC patients compared to non-inflamed biopsies and biopsies from healthy controls. Upon activation by low pH, GPR65 stimulates accumulation of cAMP, formation of stress fibers and activation of the RhoA pathway. Thus GPR65 is a good candidate causal gene for the IBD pathology. Our objective, therefore, was to define pathways downstream of activation of GPR65 and to evaluate the impact GPR65*231Leu on these pathways. We used HEK 293 cells stably expressing one or the other allele of GPR65 and deficient for either Gαs/olf, Gαq/11 or Gα12/13 as it is known that Gαs/olf activates adenylyl cyclase, Gαq/11 leads to the release of intracellular Ca2+, which can also activate certain isoforms of adenylyl cyclase, and that Gα12/13 regulates actin cytoskeletal remodeling. We demonstrated that cAMP accumulation upon activation of GPR65 is, at least partly, due to the Gαs/olf pathway and only slightly or not at all to the Gαq/11 pathway. The coding variant, however, does not appear to have an effect on that pathway. In contrast, we observed that GPR65*231Leu variant reduces the GPR65-dependent stress fiber formation and inhibits the increase of filamentous actin (F-actin) content versus free globular-actin (G-actin) upon activation by low pH. Also, preliminary data showed that the stress fiber formation in HEK293 cells is due to the G12/13 pathways. In conclusion, we demonstrate that GPR65 activates both Gαs and Gα12/13, the coding variant alters the actin remodeling pathway and that GPR65 potentially has a causal role in IBD.

Thèse réalisée en cotutelle avec l'université Montpellier2 dans le laboratoire de pharmacologie moléculaire de Jean-Philippe Pin à l'institut de génomique fonctionnelle (IGF), Montpellier, France. / Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont une famille très diversifiée de protéines membranaires capables de répondre à un grand nombre de signaux chimiques tels que des photons, des molécules odorantes, ou des hormones. En plus de cette diversité, l’étude des RCPG montre que des associations protéiques spécifiques multiplient les possibilités de signalisation de chacun de ces récepteurs. En permettant d’atténuer, de potentialiser, ou de générer une nouvelle voie de signalisation, l’association des RCPG en oligomères s’avère une importante source de diversité. L’utilisation du transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) qui permet de détecter les interactions protéiques a révélé de nombreuses associations de RCPG. Durant cette thèse, des outils ont été développés pour combiner efficacement le BRET à des essais de complémentation de protéines (PCA) dans le but de savoir si l’oligomérisation des RCPG pouvait impliquer plus de deux récepteurs. Les résultats présentés montrent que les récepteurs de chimiokines CXCR4 et CCR2 forment des homo et hétéro tétramères, et que l’activation d’un dimère CCR2 peut moduler la conformation d’un dimère CXCR4 par un changement conformationnel trans-récepteur. La coopérativité négative de liaison de ligand qui a été démontrée auparavant entre CXCR4 et CCR2 dans des lymphocytes T CD4+ exprimant les récepteurs de manière endogène confirme la validité biologique de cette interaction. Les données présentées suggèrent également que ces complexes peuvent engager les effecteurs Gαi et β-arrestine2, indiquant qu’ils représentent la forme fonctionnelle de ces récepteurs. Enfin, nous avons pu confirmer que chaque récepteur de l’hétérodimère CXCR4-CCR2 est impliqué dans l’engagement des effecteurs lors de l’activation de CCR2. Un autre niveau de complexité dans la signalisation des RCPG est atteint par leur capacité à coupler de multiples protéines G. La liaison du facteur dérivé des cellules stromales (SDF-1) au récepteur CXCR4 permet la migration des lymphocytes T par une voie de signalisation dépendante de la protéine Gαi. Nous avons pu démontrer en revanche que la migration des cellules de cancer du sein était initiée par un couplage de CXCR4 à la voie Gα13-Rho pour former des métastases dans des organes distants. Enfin, un dernier niveau de régulation des RCPG a été abordé par l’étude de la phosphorylation de CXCR4 suite à son activation, qui permet la désensibilisation du récepteur et l’engagement de voies de signalisation dépendantes de la β-arrestine. Il apparaît que la désensibilisation de la voie du calcium serait médiée par la phosphorylation de CXCR4 par les kinases des RCPG (GRK) GRK2 et GRK6 et le recrutement de β- arrestine2, alors GRK3, GRK6 et la β-arrestine1 potentialiseraient l’activation des kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2). Nous suggérons également que c’est la phosphorylation de l’extrémité C-terminale de CXCR4 qui permettrait son association avec la β-arrestine. / G protein-coupled receptors (GPCRs) are a diverse family of membrane proteins capable of responding to a large number of extracellular stimuli including photons, odorant molecules and hormones. In addition to this diversity, it has been shown that GPCRs form specific protein:protein interactions, multiplying the signalling possibilities of each of these receptors. With the ability to diminish, to potentiate or even generate new signalling pathways, the oligomeric association of GPCRs plays an important role in generating this diversity. The use of bioluminescence resonance energy transfer (BRET), which allows the detection of interactions among proteins, has revealed numerous associations between GPCRs. During this thesis, tools have been developed that effectively combine BRET with protein complementation assays (PCA) with the goal of determining if interactions between GPCRs could involve more than two receptors. The results show that the chemokine receptors CXCR4 and CCR2 form both homo and hetero tetramers, and that the activation of a dimer of CCR2 can modulate the conformation of a CXCR4 dimer through a transreceptor conformational change. Negative cooperativity of ligand binding has previously been demonstrated between CXCR4 and CCR2 in CD4+ T lymphocytes endogenously expressing the receptors, confirming the biological validity of this interaction. The data presented also suggests that these complexes can engage the effector proteins Gαi and β- arrestin 2, indicating that they represent a functional form of the receptors. Furthermore, we have confirmed that each receptor of the CXCR4-CCR2 heterodimer is implicated in the engagement of effectors during the activation of CCR2. An additional level of complexity in GPCR-promoted signaling exists in their capacity to couple of multiple G proteins. Binding of stromal cell-derived factor-1 (SDF-1) to CXCR4 is known to promote T lymphocyte migration through a Gαi-dependent signalling pathway. In addition to this mechanism, we have demonstrated that breast cancer cell migration can initiated by a coupling of CXCR4 to the Gα13-Rho pathway, leading to the formation of metastases in distant organs. Finally, a novel level of GPCR regulation was revealed through the study of CXCR4 phosphorylation following its activation, which leads to the desensitization of the receptor and the engagement of β-arrestin-dependent signalling pathways. It appears that the desensitization of calcium signalling is mediated through the phosphorylation of CXCR4 by the GPCR kinases (GRKs) GRK2 and GRK6 and the recruitment of β-arrestin 2, whereas GRK3, GRK6 and β-arrestin 1 potentiate the activation of extracellular regulated kinase (ERK1/2). We also propose that the phosphorylation of the far C-terminal tail of CXCR4 is required for the interaction between the receptor and β-arrestin.