Many irreversible antagonists are known to bind irreversibly to pharmacological receptors. However, few studies suggest that these irreversible antagonists may also display irreversible non-specific antagonism by binding irreversibly to non-syntopic binding sites on the receptor macromolecule, whereby they modulate the signal transduction of these receptors or reduce the agonist binding affmity. The aim of this study was to investigate whether the classical irreversible antagonists phenoxybenzamine, benextramine and 4-DAMP mustard display irreversible nonspecific antagonism at various G protein-coupled receptor (GPCR) types. In addition, the subcellular mechanism whereby benextramine displays irreversible non-specific antagonism was investigated. Three cell lines were employed to investigate the antagonism by these irreversible antagonists: Chinese hamster ovary (CHO-K1) cells transfected to express the porcine a2A-adrenoceptor (a2A-AR) at higher (a2A-H) or lower (a2A-L) numbers, human neuroblastoma (SH-SY5Y) cells that endogenously express muscarinic acetylcholine receptors (mACh-Rs), and SH-SY5Y cells transfected (5HT2A-SH-SY5Y)o express the human 5HT2A-serotonirne ceptor (5HTZA-R).C ells of the appropriate cell line were pre-treated at the appropriate concentrations and incubation times with an appropriate irreversible antagonist, with or without an appropriate reversible competitive antagonist at a sufficient concentration to protect the specific receptors. This was followed by washing procedures with drug-free media to rinse any unbound or reversibly bound drugs from the cells. When appropriate, cell membranes were prepared. Receptor function was evaluated by measuring whole-cell [3H]-cAMP or [3H]-IPx acumulation, or the binding of [35S]-GTPyS to membraness. Receptor concentrations were determined from radioligand-binding assays. In addition, the constitutive [35S]-GTPyS binding to Go protein before and after pre-treatment with benextramine was investigated. Results suggest that phenoxybenzamine (100 uM, 20 minutes) and benextramine (10 uM, 20 minutes) display irreversible non-specific antagonism at a2A-ARs when measuring Gi-mediated effects in a2A-L cells, but the affinity for a2A-ARs in a2A-H cells was not changed. In addition, it was found that the observed irreversible nonspecific antagonism by benextramine appears to be time- and concentration-dependent. When the mechanism of irreversible antagonism by benextramine was further investigated, benextramine reduced the binding of [35S]-GTPyS to a2A-H membranes with protected a2A-ARs, but did not modulate the constitutive binding of [35S]-GTPyS to Go. In addition, benextramine displays irreversible non-specific antagonism by inhibiting the G,-mediated effects of a2A-ARs in a2A-H cells and the Gq-mediated effects of mACh-Rs or 5HT2A-Rs in SH-SY5Y or 5HT2A-SH-SY5Y cells respectively. 4-DAMP mustard (100 uM, 20 minutes) did not display irreversible non-specific antagonism at mACh-Rs in SH-SY5Y cells, but irreversible non-specific antagonism was observed when the incubation time was increased (100 uM, 60 minutes). In conclusion it was found that phenoxybenzamine, benextramine and 4-DAMP mustard display irreversible non-specific antagonism at typical experimental conditions. These findings confirm concerns in literature and supports the possibility that more irreversible antagonists could display irreversible non-specific antagonism, and that could influence the interpretation of data obtained with such drugs. In addition, benextramine may prove to be a useful experimental drug in studying GPCR signalling. / Thesis (Ph.D. (Pharmacology))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2004.

Les récepteurs couplés aux protéines-G (RCPGs) constituent la première étape d’une série de cascades signalétiques menant à la régulation d’une multitude de processus physiologiques. Dans le modèle classique connu, la liaison du ligand induit un changement de conformation du récepteur qui mène à sa forme active. Une fois activés, les RCPGs vont réguler l’activité d’une protéine membranaire cible qui peut être tant une enzyme qu’un canal ionique. L’interaction entre le récepteur et la cible nécessite l’intermédiaire d’une protéine hétérotrimérique appelée « protéine G », qui est activée pour favoriser l’échange du GDP (guanosine diphosphate) pour un GTP (guanosine triphosphate) et assurer la transduction du signal du récepteur à l’effecteur. Les mécanismes moléculaires menant à l’activation des effecteurs spécifiques via l’activation des RCPGs par les protéines G hétérotrimériques sont encore plutôt méconnus. Dans notre étude nous nous sommes intéressés aux récepteurs FP et PAF, à leurs ligands naturels, la PGF2α et le Carbamyl-PAF respectivement, et à des ligands à action antagoniste sur ces récepteurs. Des ligands considérés comme agonistes, sont des molécules qui interagissent avec le récepteur et induisent les mêmes effets que le ligand naturel. Les antagonistes, par contre, sont des molécules qui interagissent avec le récepteur et bloquent l’action du ligand naturel en prévenant le changement conformationnel du complexe, et ils peuvent avoir une action compétitive ou non-compétitive. Nous avons étudié aussi des ligands orthostériques et allostériques du récepteur FP des prostaglandines et du récepteur PAF. Un ligand orthostérique peut se comporter comme agoniste ou antagoniste en se fixant au site de liaison du ligand (agoniste) naturel. Un ligand allostérique est un agoniste ou antagoniste se fixant à un site autre que celui du ligand naturel entraînant un changement de conformation ayant pour conséquence soit une augmentation (effecteur positif), soit une diminution (effecteur négatif) de l'activité du ligand naturel. / G protein coupled receptors (GPCRs) are involved in the first step of most signalling pathways that regulate a variety of physiological events. The classical view of GPCR activation suggests that ligand binding to the inactive receptor will trigger a conformational change leading to an active conformation of the receptor. The GPCRs activated regulate the activity of a target membrane protein which can then activate other signalling proteins such as enzymes and ionic channels. The interaction between the receptor and the target requires an intermediary, in this case an heterotrimeric protein named « G protein », which is activated in order to facilitate the exchange of GDP (guanosine diphospate) for a GTP (guanosine triphosphate) and allow the transduction of the signal from the receptor to the effector. The molecular mechanisms leading to the activation of signalling effectors via the activation of GPCRs by its heterotrimeric G protein have not yet been well characterized. We focused our study on two GPCRs, the FP and PAF receptors, their natural ligands, PGF2α and Carbamyl-PAF respectively, and their antagonist ligands. Agonists are ligands that bind to the target receptor and trigger the same effects as the natural ligand of the GPCR. In contrast with agonists, antagonist ligands are molecules that prevent the effects of the natural ligand by keeping the GPCR from changing to its active conformation and can be competitive or non-competitive. We have also studied orthosteric and allosteric ligands of the FP and PAF receptors. An orthosteric ligand binds the same site as the natural ligand of the receptor and can act as an agonist or an antagonist. In the contrary, an allosteric ligand will rather have a different binding site then the natural ligand (agonist) and can positively or negatively modulate the effects of the natural ligand.

La prostaglandine E2 est une hormone lipidique produite abondamment dans le corps, incluant dans le rein où elle agit localement pour réguler les fonctions rénales. Un couplage à la protéine Gαs menant à une production d’AMPc a classiquement été attribué au récepteur EP4 de PGE2. La signalisation d’EP4 s’est cependant avérée plus complexe et implique aussi un couplage aux protéines sensibles à la PTX Gαi et des effets reliés aux β-arrestines. Il y a maintenant plusieurs exemples de l’activation sélective de voies de signalisation indépendantes par des ligands des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), et ce concept désigné sélectivité fonctionnelle pourrait être exploité dans le développement de nouveaux médicaments plus spécifiques et efficaces. Dans une première étude, la puissance et l’activité intrinsèque d’une série de ligands d’EP4 pour l’activation de Gαs, Gαi et de la ß-arrestine ont été systématiquement déterminées relativement au ligand endogène PGE2. Dans ce but, trois essais de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) ont été adaptés pour évaluer les différentes voies dans des cellules vivantes. Nos résultats montrent une sélectivité fonctionnelle importante parmi les agonistes évalués et ont une implication pour l’utilisation d’analogues de la PGE2 dans un contexte expérimental et possiblement clinique, puisque leur spectre d’activité diffère de l’agoniste naturel. La méthodologie basée sur le BRET utilisée lors de cette première évaluation systématique d’une série d’agonistes d’EP4 devrait être applicable à l’étude d’autres RCPG. Dans une deuxième étude, des peptides reproduisant des régions juxtamembranaires extracellulaires du récepteur EP4 ont été conçus selon le raisonnement que des peptides ciblant des régions éloignées du site de liaison du ligand naturel ont le potentiel de ne moduler qu’une partie des activités du récepteur. L’insuffisance rénale aiguë est une complication médicale grave caractérisée par un déclin brusque et soutenu de la fonction rénale et pour laquelle il n’y a pas de traitement efficace à l’heure actuelle. Nos résultats montrent que le peptidomimétique dérivé d’EP4 optimisé (THG213.29) améliore significativement les fonctions rénales et les changements histologiques dans une insuffisance rénale aiguë induite par cisplatine ou par occlusion des artères rénales dans des rats Sprague-Dawley. Le THG213.29 ne compétitionnait pas la liaison de la PGE2 à EP4, mais modulait la cinétique de dissociation de la PGE2, suggérant une liaison à un site allostérique d’EP4. Le THG213.29 démontrait une sélectivité fonctionnelle, puisqu’il inhibait partiellement la production d’AMPc induite par EP4 mais n’affectait pas l’activation de Gαi ou le recrutement de la ß-arrestine. Nos résultats indiquent que le THG213.29 représente une nouvelle classe d’agent diurétique possédant les propriétés d’un modulateur allostérique non-compétitif des fonctions du récepteur EP4 pour l’amélioration des fonctions rénales suite à une insuffisance rénale aiguë. / Prostaglandin E2 (PGE2) is a lipid hormone mediator widely produced in the body, including in the kidney where it acts locally to regulate renal function. Classically, the PGE2 receptor EP4 has been classified as coupling to the Gαs subunit, leading to intracellular cAMP increases. However EP4 signaling has been revealed to be more complex and also involves coupling to PTX-sensitive Gαi proteins and ß-arrestin mediated effects. There are now many examples of selective activation of independent pathways by G-protein coupled receptor (GPCR) ligands, a concept referred to as functional selectivity that could be exploited for the development of more specific and efficacious drugs. In a first study, the potencies and efficacies of a panel of EP4 ligands were systematically determined for the activation of Gαs, Gαi and ß-arrestin relative to the endogenous ligand PGE2. For this purpose, three bioluminescence resonance energy transfer (BRET) assays were adapted to evaluate the respective pathways in living cells. Our results suggest considerable functional selectivity among the tested, structurally related agonists and have implications for the use of PGE2 analogues in experimental and possibly clinical settings, as their activity spectra on EP4 differ from that of the native agonist. The BRET-based methodology used for this first systematic assessment of a set of EP4 agonists should be applicable for the study of other GPCRs. In a second study, peptides were derived from extracellular juxtamembranous regions of the EP4 receptor following the rationale that peptides that target regions of the receptor remote of the ligand-binding site might modulate a subset of the EP4-mediated activities. Acute renal failure is a serious medical complication characterized by an abrupt and sustained decline in renal function and for which there is currently no effective treatment. Our results show that the optimized EP4-derived peptidomimetic THG213.29 significantly improved renal functions and histological changes in acute renal failure induced by either cisplatin or renal artery occlusion in Sprague-Dawley rats. THG213.29 did not displace PGE2 binding to EP4, but modulated PGE2 binding dissociation kinetics, indicative of an allosteric binding mode. THG213.29 exhibited functional selectivity, as it partially inhibited EP4-mediated cAMP production but did not affect Gαi activation or ß-arrestin recruitment. Our results demonstrate that THG213.29 represents a novel class of diuretic agent with noncompetitive allosteric modulator effects on EP4 receptor function for improving renal function following acute renal failure.

Les récepteurs couplés aux protéines GRCPG sont une des plus grandes familles de récepteur membranaire codifié par le génome humain et certainement la plus grande famille de récepteurs. Localisés au niveau des membranes plasmiques, ils sont responsables d’une grande variété de réponses cellulaires. L’activation de ces derniers par des ligands était traditionnellement associée à un changement de conformation de la protéine, passant d’un état inactif à un état actif. Toutefois, certaines observations entraient en contradiction avec cette théorie et laissaient supposer la présence de plusieurs conformations actives du récepteur. Ces différentes conformations pouvaient être actives pour certaines voies de signalisation ou de régulation et inactives pour d’autres. Ce phénomène, initialement appelé agoniste dirigé ou « biased agonism », est maintenant décrit comme étant la sélectivité fonctionnelle des ligands des RCPG. Cette sélectivité des voies de signalisation et de régulation permettrait en théorie de développer des ligands capables de cibler seulement les voies de signalisation et de régulation responsable des effets thérapeutiques sans activer les voies responsables des effets secondaires ou indésirables. Le récepteur delta opiacé (DOR) est un RCPG impliqué dans la gestion de la douleur chronique. L’action analgésique de ses ligands est toutefois soumise à un effet de tolérance produite lors de leur utilisation à long terme. Cet effet secondaire limite l’utilisation thérapeutique de ces médicaments. Cette thèse s’est donc intéressée à la sélectivité fonctionnelle des ligands du DOR afin d’évaluer la possibilité de réduire les effets de tolérance produits par ces molécules. En premier lieu, nous avons déterminé que le DOR peut être stabilisé dans plusieurs conformations actives dépendantes du ligand qui le lie et ces conformations possèdent différents profils d’activation des voies de signalisation et de régulation. En deuxième lieu, nous avons déterminé que les différents ligands du DOR stabilisent des conformations du complexe récepteur/protéine G qui ne concordent pas avec la théorie des récepteurs à deux états, suggérant plutôt la présence d’une multitude de conformations actives. Finalement, nous avons démontré que ces différentes conformations interagissaient de façon distincte avec les protéines de régulation des RCPG; le ligand favorisant le retour du récepteur à la membrane produisant moins de désensibilisation et moins de tolérance aiguë à l’analgésie que le ligand favorisant la séquestration du récepteur à l’intérieur de la cellule. Les résultats de cette thèse démontrent que la sélectivité fonctionnelle des ligands opiacés pourrait être utilisée dans le développement de nouveau analgésique produisant moins de tolérance. / G protein coupled receptors (GPCRs) are one of the largest families of membrane receptor coded by the human genome and certainly the biggest family of receptors. Localized at the plasma membrane, they are responsible for a wide variety of cellular responses. Activation of GPCRs by ligands has been traditionally associated with change in protein conformation, switching from an inactive to an active state. However, some observations were inconsistent with this theory suggesting the presence of several active conformations of the receptor. These different conformations could be active in some signalling or regulatory pathways and inactive in others. This phenomenon, originally called biased agonism, is now described as the functional selectivity of GPCRs ligands. In theory, this type of selectivity could lead to the development of drugs that therapeutic action without activating signalling pathways responsible for side effect. The delta opioid receptor (DOR) is a GPCR involved in chronic pain management. However, analgesic action of its ligands is subject to tolerance that develops over the course of long-term treatment, limiting their clinical use. This thesis focuses on functional selectivity of DOR ligands to assess the possibility of reducing the effects of tolerance produced by these molecules. First, we determined that DORs adopt ligand-specific active conformations with distinct ability to activate different signalling pathways and regulatory responses. Second, we established that DORs constitutively associate with Gαi heterotrimeric subunits, and that different receptor ligands induce distinct conformational changes within these signalling complexes. These observations are inconsistent with a two-state model of receptor activation, pointing instead the presence of multiple active conformations. Finally, we demonstrated that conformations stabilized by different agonists distinctively interact with βarrestin2, such that the agonist who promoted a transient receptor interaction with this regulatory protein produced more recycling, less desensitization and less acute analgesic tolerance than the ligand who promoted a stable DOR-βarrestin2 interaction. Taken together, the results presented in this thesis show DORs adopt ligand-specific conformations that support ligand-specific profiles of analgesic tolerance. This type of functional selectivity of opioid ligands could be eventually exploited in the development of novel therapeutic agents with longer analgesic actions.

Many irreversible antagonists are known to bind irreversibly to pharmacological receptors. However, few studies suggest that these irreversible antagonists may also display irreversible non-specific antagonism by binding irreversibly to non-syntopic binding sites on the receptor macromolecule, whereby they modulate the signal transduction of these receptors or reduce the agonist binding affmity. The aim of this study was to investigate whether the classical irreversible antagonists phenoxybenzamine, benextramine and 4-DAMP mustard display irreversible nonspecific antagonism at various G protein-coupled receptor (GPCR) types. In addition, the subcellular mechanism whereby benextramine displays irreversible non-specific antagonism was investigated. Three cell lines were employed to investigate the antagonism by these irreversible antagonists: Chinese hamster ovary (CHO-K1) cells transfected to express the porcine a2A-adrenoceptor (a2A-AR) at higher (a2A-H) or lower (a2A-L) numbers, human neuroblastoma (SH-SY5Y) cells that endogenously express muscarinic acetylcholine receptors (mACh-Rs), and SH-SY5Y cells transfected (5HT2A-SH-SY5Y)o express the human 5HT2A-serotonirne ceptor (5HTZA-R).C ells of the appropriate cell line were pre-treated at the appropriate concentrations and incubation times with an appropriate irreversible antagonist, with or without an appropriate reversible competitive antagonist at a sufficient concentration to protect the specific receptors. This was followed by washing procedures with drug-free media to rinse any unbound or reversibly bound drugs from the cells. When appropriate, cell membranes were prepared. Receptor function was evaluated by measuring whole-cell [3H]-cAMP or [3H]-IPx acumulation, or the binding of [35S]-GTPyS to membraness. Receptor concentrations were determined from radioligand-binding assays. In addition, the constitutive [35S]-GTPyS binding to Go protein before and after pre-treatment with benextramine was investigated. Results suggest that phenoxybenzamine (100 uM, 20 minutes) and benextramine (10 uM, 20 minutes) display irreversible non-specific antagonism at a2A-ARs when measuring Gi-mediated effects in a2A-L cells, but the affinity for a2A-ARs in a2A-H cells was not changed. In addition, it was found that the observed irreversible nonspecific antagonism by benextramine appears to be time- and concentration-dependent. When the mechanism of irreversible antagonism by benextramine was further investigated, benextramine reduced the binding of [35S]-GTPyS to a2A-H membranes with protected a2A-ARs, but did not modulate the constitutive binding of [35S]-GTPyS to Go. In addition, benextramine displays irreversible non-specific antagonism by inhibiting the G,-mediated effects of a2A-ARs in a2A-H cells and the Gq-mediated effects of mACh-Rs or 5HT2A-Rs in SH-SY5Y or 5HT2A-SH-SY5Y cells respectively. 4-DAMP mustard (100 uM, 20 minutes) did not display irreversible non-specific antagonism at mACh-Rs in SH-SY5Y cells, but irreversible non-specific antagonism was observed when the incubation time was increased (100 uM, 60 minutes). In conclusion it was found that phenoxybenzamine, benextramine and 4-DAMP mustard display irreversible non-specific antagonism at typical experimental conditions. These findings confirm concerns in literature and supports the possibility that more irreversible antagonists could display irreversible non-specific antagonism, and that could influence the interpretation of data obtained with such drugs. In addition, benextramine may prove to be a useful experimental drug in studying GPCR signalling. / Thesis (Ph.D. (Pharmacology))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2004.

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<strong>Background:</strong> Our laboratory identified ELTD1, an orphan GPCR belonging to the adhesion GPCR family (aGPCR), as a novel regulator of angiogenesis and a potential anti-cancer therapeutic target. ELTD1 is normally expressed in both endothelial cells and vascular smooth muscle cells and expression is significantly increased in the tumour vasculature. The aim of this project was to analyse ELTD1's function in endothelial cells and its role in breast cancer. <strong>Method:</strong> 62 sequenced vertebrate genomes were interrogated for ELTD1 conservation and domain alterations. A phylogenetic timetree was assembled to establish time estimates for ELTD1's evolution. After ELTD1 silencing, mRNA array profiling was performed on primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and validated with qPCR and confocal microscopy. ELTD1's signalling was investigated by applying the aGPCR ‘Stinger/tethered-agonist Hypothesis'. For this, truncated forms of ELTD1 and peptides analogous to the proposed tethered agonist region were designed. FRET-based 2^nd messenger (Cisbio IP-1;cAMP) and luciferase-reporter assays (NFAT; NFÎoB; SRE; SRF-RE; CREB) were performed to establish canonical GPCR activation. To further investigate ELTD1's role in endothelial cells, ELTD1 was stably overexpressed in HUVECS. Functional angiogenesis assays and mRNA array profiling were then performed. To investigate ELTD1 in breast cancer, a panel of cell lines representative of all molecular subtypes were screened using qPCR. Furthermore, an exploratory pilot study was performed on matched primary and regional nodal secondary breast cancers (n=43) which were stained for ELTD1 expression. Staining intensity was then scored and compared with relapse free survival and overall survival. <strong>Results:</strong> ELTD1 arose 435 million years ago (mya) in bony fish and is present in all subsequent vertebrates. ELTD1 has 3 evolutionary variants of which 2 are most common: one variant with 3 EGFs and a variant with 2 EGFs. Additionally, ELTD1 may be ancestral to members of aGPCR family 2. HUVEC mRNA expression profiling after ELTD1 silencing showed upregulation of the mitochondrial citrate transporter SLC25A1, and ACLY which converts cytoplasmic citrate to Acetyl CoA, feeding fatty acid and cholesterol synthesis, and acetylation. A review of lipid droplet (fatty acid and cholesterol) accumulation by confocal microscopy and flow cytometry (FACS) revealed no changes with ELTD1 silencing. Silencing was also shown to affect the Notch pathway (downregulating the Notch ligand JAG1 and target gene HES2; upregulating the Notch ligand DLL4) and inducing KIT, a mediator of haematopoietic (HSC) and endothelial stem cell (ESC) maintenance. Signalling experiments revealed that unlike other aGPCRs, ELTD1 does not couple to any canonical GPCR pathways (Gαi, Gαs, Gαq, Gα12/13). ELTD1 overexpression in HUVECS revealed that ELTD1 induces an endothelial tip cell phenotype by promoting sprouting and capillary formation, inhibiting lumen anastomoses in mature vessels and lowering proliferation rate. There was no effect on wound healing or adhesion to angiogenesis associated matrix components. Gene expression changes following ELTD1 overexpression included upregulation of angiogenesis associated ANTRX1 as well as JAG1 and downregulation of migration associated CCL15 as well as KIT and DLL4. In breast cancer, none of the representative breast cancer cell lines screened expressed ELTD1. ELTD1 breast cancer immunohistochemistry revealed higher levels of vascular ELTD1 staining intensity within the tumour stroma contrasted to normal stroma and expression within tumour epithelial cells. Additionally, ELTD1 expression in tumour vessels was differentially expressed between the primary breast cancer microenvironment and that of the matched regional node. Due to the small size of the pilot study population, survival comparisons between the various subgroups did not yield significant results. <strong>Conclusion:</strong> ELTD1 is a novel regulator of endothelial metabolism through its suppression of ACLY and the related citrate transporter SLC25A1. ELTD1 also represses KIT, which is known to mediate haematopoietic and endothelial progenitors stem cell maintenance, a possible mechanism through which endothelial cells maintain terminal endothelial differentiation. ELTD1 does not signal like other adhesion GPCRS with CTF and FL forms of ELTD1 not signalling canonically. Additionally, ELTD1 regulates various functions of endothelial cell behaviour and function, inducing an endothelial tip cell phenotype and is highly evolutionarily conserved. Lastly, ELTD1 is differentially expressed in tumour vessels between primary breast cancer and regional nodal metastases and is also expressed in a small subset of breast cancer cells in vivo despite no cancer cell lines expressing ELTD1. The pilot study investigating ELTD1 in the primary breast cancer and regional involved nodes will be followed up with a larger study including the investigation of ELTD1 in distant metastases.

G protein-coupled receptors (GPCRs) form the biggest family of membrane receptors and are involved in numerous physiological processes. Collectively, these receptors are also prominently targeted by the pharmaceutical industry due to their implications in multiple diseases and disorders. GPCR signaling is tightly regulated. Several kinases, activated downstream of the receptor, initiate negative feedback loops; and arrestins play a crucial role in these regulatory processes by desensitizing the ligand–activated receptor and promoting its endocytosis. By doing so, arrestins control the duration and the amplitude of signal transduction at the cell surface. In the last few years, several non-canonical roles have also been attributed to arrestins, such as the post-endocytic activation of several signalling pathways, or the regulation of crosstalks between GPCRs and various other signalling events. My thesis project was aimed at providing a better understanding of the non-canonical functions of arrestins. The first objective of my research work was to investigate a possible reciprocal effect of the activation of the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) on GPCR signaling. We demonstrated that stimulation of ERK1/2, either by a cell surface receptor or a constitutively active mutant, leads to a reduction in steady-state expression levels of many GPCRs at the cell surface. This receptor redistribution mechanism is dependent on beta-arrestins phosphorylation. In vitro kinase assays combined with complementation experiments in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) lacking beta-arrestins, revealed that beta-arrestin-2 phosphorylation on Ser14 and Thr276 is essential for the ERK1/2-promoted GPCR sequestration. This ERK1/2- and arrestins mediated regulatory process was found to result in a global dampening of cell responsiveness. The second objective of my research work was to identify and develop a small organic compound that inhibits the interaction between arrestins and the adaptor protein AP-2, without interfering with the recruitment of arrestin to the receptor. This inhibitor, named Barbadin, was found to specifically block endocytic processes that are dependent on the interaction between arrestins and the appendage domain of the b-subunit of AP-2. We demonstrated its value as an analytical tool in studying the role of the arrestins in GPCR signaling, such as cAMP production and ERK1/2 activation. These results support the concept that beta-arrestin/AP-2-dependent signaling is important to both G protein-dependent and -independent pathways. The third objective of my research work was to develop a BRET-based biosensor able to detect signal-dependent PTEN conformational changes. This biosensor was validated by monitoring PTEN activation induced by targeted mutations affecting key intramolecular interactions or by modulating signalling pathways that impact PTEN function. We also demonstrated the value of this biosensor in studying PTEN/protein interactions using two known interactors that activate PTEN, beta-arrestin-2 and RhoA. Finally, we uncovered PTEN activation by several GPCRs, previously unknown as PTEN regulators. Given the central role of the tumor suppressor PTEN in oncogenesis, this biosensor could also provide a precious tool for anti-cancer drug research. To conclude, my research work highlighted non-canonical mechanisms for arrestins to activate GPCR-dependent signaling pathways, such as cAMP, ERK1/2 and PTEN, as well as negatively regulate GPCR signaling upon phosphorylation by ERK1/2. This work was made possible by the development of new tools: a beta-arrestin inhibitor named Barbadin and a PTEN BRET-based biosensor that have both shown their usefulness in studying beta-arrestin noncanonical signaling. / Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) représentent la plus grande famille de récepteurs membranaires et sont impliqués dans un grand nombre de processus physiologiques. Cette famille de récepteurs constitue aussi une cible majeure dans la recherche pharmaceutique au vu de son importance dans de nombreuses pathologies. La signalisation des RCPG est étroitement régulée. Plusieurs kinases activées en aval du récepteur initient des boucles de régulation négative. Les arrestines jouent un rôle clé dans ces processus de régulation en favorisant la désensibilisation du récepteur activé par le ligand, suivie de son endocytose. Ainsi, les arrestines contrôlent la durée et l’amplitude de la transmission du signal à la surface de la cellule. Ces dernières années, plusieurs rôles non-canoniques ont été attribués aux arrestines comme l’activation de voies de signalisation post-endocytiques, ou la modulation de la régulation croisée entre les RCPG et d’autres acteurs de la signalisation cellulaire. Le premier objectif de mon travail de recherche est d’examiner l’effet réciproque de l’activation des kinases ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1/2) sur la signalisation des RCPG. Nous avons démontré que la stimulation de ERK1/2, soit par un récepteur de surface soit par l’utilisation d’un mutant constitutivement actif, conduit à la baisse de l’expression de surface basale de nombreux RCPG. Des essais kinases in vitro, combinés à des expériences de complémentation dans des fibroblastes embryonnaires de souris (MEF), où les gènes beta-arrestine-1/2 ont été supprimés, démontrent l’importance de la phosphorylation par ERK1/2 des résidus Ser14 et Thr276 dans ce mécanisme de séquestration des RCPG. Cette régulation, contrôlée par ERK1/2 et arrestine, conduit à une baisse globale de la capacité de réponse de la cellule aux stimuli extracellulaires. Le deuxième objectif de mon travail de recherche est d’identifier et de développer une petite molécule organique qui inhibe l’interaction entre l’arrestine et la protéine adaptatrice du complexe d’endocytose AP-2, sans toutefois empêcher la formation du complexe arrestine/récepteur. Cet inhibiteur, nommé Barbadin, bloque sélectivement les processus d’internalisation dépendants de l’interaction entre arrestine- et la sous-unité beta2 de la protéine adaptatrice AP-2. Barbadin représente le premier inhibiteur des fonctions d’arrestine, et nous avons démontré son utilité comme outil analytique pour déterminer la contribution des arrestines dans l’activation de plusieurs voies de signalisation en aval des RCPG, telles que la production d’AMP cyclique (AMPc) ou l’activation des kinases ERK1/2. Nos résultats démontrent l’importance du complexe arrestine/AP-2 dans la signalisation dépendante et indépendante des protéines G. Le troisième objectif de mon travail de recherche est de développer un biosenseur BRET capable de mesurer les changements de conformation du suppresseur de tumeur PTEN. Nous avons validé ce biosenseur en mesurant l’activation de PTEN suite à des mutations ciblées déstabilisant les interactions intramoléculaires au sein de cette protéine ou en modulant différentes voies de signalisation qui affectent sa fonction. Nous avons démontré l’intérêt de ce nouvel outil dans l’étude des interactions entre PTEN et des partenaires protéiques, en utilisant deux interacteurs connus pour activer PTEN : b-arrestine-2 et RhoA. Finalement, en utilisant ce biosenseur, nous avons démontré pour la première fois la capacité de plusieurs RCPG à induire l’activation de PTEN. Étant donné le rôle central de PTEN dans le développement tumoral, ce biosenseur constitue aussi un outil précieux pour la recherche de nouveaux médicaments anticancer. Ainsi, au travers de ces trois lignes directrices, nous avons pu mettre en lumière de nouveaux rôles non-canoniques des arrestines, soit dans l’activation de voies de signalisation, (comme la production d’AMPc, l’activation de ERK1/2 ou de PTEN), soit comme régulateur négatif de la signalisation des RCPG après phosphorylation par ERK1/2. Ce travail a été rendu possible par le développement de nouveaux outils pour l’étude des RCPG : un inhibiteur de beta-arrestine, Barbadin, et un biosenseur BRET de PTEN ; tous deux ayant démontré leur utilité dans l’étude des voies de signalisation non-canoniques des arrestines.

In der vorliegenden Arbeit wurden die molekularen Grundlagen für die Agonistspezifität des G-Protein-gekoppelten Rezeptors GPR34 untersucht. Mittels verschiedener funktioneller Versuche konnte an ausgewählten Orthologen des Rezeptors gezeigt werden, dass, im Gegensatz zu publizierten Daten, Lysophosphatidylserin (Lyso-PS) nicht der natürliche Agonist des GPR34 ist. Lediglich an einigen cyprinoiden Subtypen des GPR34 hat Lyso-PS surrogat-agonistische Effekte. Anhand eines detaillierten evolutionären Vergleichs von Orthologen konnten Bereiche des Rezeptors ermittelt werden, welche an der Ligandenbindung, und damit an der Agonistspezifität des GPR34 beteiligt sind. Durch Übertragung dieser Bereiche vom Karpfen-GPR34-Subtyp 2a auf den humanen GPR34 konnte dieser zu einem Lyso-PS-sensitiven Rezeptor modelliert werden. Weiterhin wurde Aminoethyl-Carbamoyl-ATP (EDA-ATP) als inverser Agonist an cyprinoiden Orthologen des GPR34 identifiziert. Die Erweiterung des möglichen Ligandenspektrums von Lipiden zu Nukleotidderivaten gibt Hinweise auf die Promiskuität der Bindungsstelle des GPR34. Die Ergebnisse zeigen, dass Lyso-PS nur eine zufällige Aktivität an einigen Orthologen des GPR34 hat. Mit Identifizierung eines Nichtlipides als invers-agonistischen Liganden ist die Suche nach dem natürlichen Liganden des GPR34 noch nicht abgeschlossen und sollte auf weitere chemische Entitäten ausgeweitet werden. / Lyso-PS (lyso-phosphatidylserine) has been shown to activate the G(i/o)-protein-coupled receptor GPR34. Since in vitro and in vivo studies provided controversial results in assigning lyso-PS as the endogenous agonist for GPR34, we investigated the evolutionary conservation of agonist specificity in more detail. Except for some fish GPR34 subtypes, lyso-PS has no or very weak agonistic activity at most vertebrate GPR34 orthologues investigated. Using chimaeras we identified single positions in the second extracellular loop and the transmembrane helix 5 of carp subtype 2a that, if transferred to the human orthologue, enabled lyso-PS to activate the human GPR34. Significant improvement of agonist efficacy by changing only a few positions strongly argues against the hypothesis that nature optimized GPR34 as the receptor for lyso-PS. Phylogenetic analysis revealed several positions in some fish GPR34 orthologues which are under positive selection. These structural changes may indicate functional specification of these orthologues which can explain the species- and subtype-specific pharmacology of lyso-PS. Furthermore, we identified aminoethyl-carbamoyl ATP as an antagonist of carp GPR34, indicating ligand promiscuity with non-lipid compounds. The results of the present study suggest that lyso-PS has only a random agonistic activity at some GPR34 orthologues and the search for the endogenous agonist should consider additional chemical entities.

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. / G protein coupled receptors (GPCR) form the largest and most diversified family of cell-surface receptors responsible for signal transduction inside the cells. Extensive research over the last thirty years have led to the identification of multiple proteins interacting with GPCRs and controlling the signalisation, desensitization, internalization and degradation of these important pharmaceutical targets. In contrast to the processes regulating GPCR activity at the plasma membrane, the molecular mechanisms controlling GPCR biogenesis in the endoplasmic reticulum (ER) and their transport to the cell-surface are poorly characterized. The identification of the proteins regulating GPCR maturation is essential in order to understand how receptors are expressed at the plasma membrane. A proteomic screen based on bioluminescence resonance energy transfer (BRET), which allows for the detection of protein-protein interaction in living cells, led to the identification of several potential novel GPCR interactors localized in the secretory pathway. Since the cellular compartments where these proteins are localized are responsible for the synthesis, proper folding and transport to the plasma membrane of the receptors, it is highly probable that they are involve in regulating GPCR cell-surface expression. The characterization of the human cornichon homolog 4 (CNIH4), a novel GPCR interactor identified in the screen, showed that this protein localized in the early secretory pathway (ER and ERGIC), selectively interacts with GPCRs. Knockdown of the endogenous expression of this previously uncharacterized protein led to a decrease in the cell-surface expression of a receptor indicating that CNIH4 has a positive function in the ER export of GPCR. Supporting this, over-expression of CNIH4 at low levels increased the maturation of a mutant receptor normally retained in the ER. Moreover, CNIH4 interacts with Sec23, a component of the inner coat of COPII vesicles which transport proteins from the ER to the Golgi apparatus, suggesting that CNIH4 could recruit GPCRs in these vesicles. CNIH4 over-expression at very high levels also resulted in the intracellular trapping of the receptors. This dominant negative effet could be caused by the titration of another component of the GPCR export process. Another study showed that the transmembrane protein 9 (TMEM9), a novel GPCR interactor also identified in the screen, selectively interacts with GPCRs and CNIH4. Over-expression of this protein of previously unknown function restored normal receptor trafficking in presence of over-expressed CNIH4. Morevover, co-expression of TMEM9 potentialized CNIH4 ability to increase the maturation of a mutant receptor normally retained in the ER, suggesting that these proteins form a complex regulating GPCR maturation. During this thesis, novel GPCR interacting proteins controlling receptor expression at the plasma membrane were identified, allowing for a better understanding of the mechanisms controlling receptor trafficking from the ER to the cell-surface.