La mélatonine est une neurohormone, principalement synthétisée par la glande pinéale et exerçant ses fonctions physiologiques via ses deux récepteurs MT1 et MT2 couplés aux protéines G. Ces derniers sont principalement exprimés dans le cerveau, la rétine et plusieurs autres tissus périphériques pour réguler une grande variété de fonctions physiologiques telles que les rythmes circadiens et saisonniers, la physiologie de la rétine, l'homéostasie du glucose et les fonctions neuronales et immunitaires. Les récepteurs de la mélatonine modulent plusieurs voies de transduction de signaux intracellulaires et inhibent la production d'AMPc et de GMPc et activent les « Extracellular signal-Regulated Kinases » 1/2 (ERK1/2) et les canaux ioniques. Ce travail met l'accent sur le rôle central de la voie ERK1/2 dans la fonction des récepteurs de la mélatonine en définissant la ou les voies moléculaires impliquées et en étudiant les modifications de cette voie dans les conditions pathologiques. Dans l'article 1, nous décortiquons les voies moléculaires impliquées dans l'activation de la voie ERK1/2 par les récepteurs humains MT1 et MT2 dans des cellules HEK293, un modèle cellulaire pertinent. Nous montrons ainsi que les β-arrestines ne participent pas à l’activation d’ERK1/2 induite par les deux récepteurs. Alors que l'activation d'ERK1/2 par MT1 est exclusivement médiée par des protéines Gi/o en libérant leurs sous-unités Gβy, MT2 est strictement dépendante de l'activation coopérative des protéines Gi/o et Gq/11. Les deux récepteurs activent plus en aval la cascade PI3K/PKCζ/c-Raf/MEK/ERK, avec laquelle ils forment des méga-complexes de signalisation préformés. Le phénomène de coopérativité au niveau des protéines G a également été observé plus en aval au niveau des gènes cibles d’ERK1/2 mais pas pour la voie Gi/cAMP. Ce travail a permis de fournir la première description complète de la voie ERK activée par MT1 et MT2, de mettre en évidence des différences entre les deux récepteurs et décrire un nouveau modèle de coopérativité entre les protéines Gi/o et Gq/11.Les variants naturels d’un récepteur peuvent avoir des propriétés de signalisation et des fonctions physiologiques modifiées. L'évaluation fonctionnelle de tels variants associés à des maladies est extrêmement importante pour établir un lien entre la fonction modifiée et la maladie pour concevoir d’éventuelles nouvelles stratégies thérapeutiques. Dans l'article 2, nous avons établi le profil de signalisation de 40 variants naturels du récepteur MT2 associés au diabète de type 2 (DT2). La voie ERK1/2 a été mesurée en suivant la phosphorylation d’ERK directement dans des lysats cellulaires avec la technologie alpha-screen. En résumé, l'article 2 a confirmé l'association générale entre la perte de fonction du récepteur MT2 et l'augmentation du risque de DT2 et a montré que la voie ERK1/2 ne fait pas partie des principales voies associées au DT2.La génération et l'agrégation des peptides amyloïdes bêta (Aβ) est le principal marqueur moléculaire de la maladie d'Alzheimer (MA). Chez les patients atteints de MA, les deux composants du système mélatoninergique, à savoir la production de mélatonine et la fonction des récepteurs de la mélatonine, sont nettement réduits. Cependant, les mécanismes moléculaires y participant ne sont pas encore bien compris. Dans l'article 3, nous démontrons que l'Aß abolit la synthèse de la mélatonine et diminue les fonctions de MT1 et MT2 telle que l'activation de la voie ERK1/2 par la mélatonine. Ce travail fournit une base mécanistique pour expliquer la diminution de la fonction du système mélatoninergique chez les patients atteints de la MA.En résumé, cette thèse fournit de nouvelles idées sur la façon dont les récepteurs humains de la mélatonine activent la voie ERK1/2 et comment cette activation est modifiée par Aβ dans le contexte de la MA et par des variants de MT2 associés au DT2. / The neurohormone melatonin, primarily synthesized by the pineal gland, exerts its physiological functions by two high-affinity G protein-coupled receptors: MT1 and MT2. Both are widely expressed in the brain, retina and several other peripheral tissues to regulate a wide variety of physiological function such as circadian and seasonal rhythms, retinal physiology, glucose homeostasis and neuronal and immune functions. Melatonin receptors modulate several intracellular signal transduction pathways and inhibit cAMP and cGMP production and activate extracellular signal-regulated kinases 1/2 (ERK1/2) and ion channels. This work focuses on the central role of ERK1/2 signaling in melatonin receptor function by defining the molecular pathway(s) involved and by studying modifications of this pathway under disease conditions. In article 1, we decipher the molecular pathways involved in the activation of the ERK1/2 signaling cascade by human MT1 and MT2 receptors in HEK293 cells, a relevant cellular model system. We show that β-arrestins do not participate in ERK1/2 activation by both receptors. Whereas ERK1/2 activation by MT1 is exclusively mediated though Gi/o proteins by liberating Gβγ subunits, MT2 is strictly dependent on the cooperative activation of Gi/o and Gq/11 proteins. Both receptors activate further downstream the PI3K/PKCζ/c-Raf/MEK/ERK cascade, with which they are forming preformed mega-signaling complexes. G protein cooperativity was also observed further downstream on the ERK1/2 target gene level but not for the Gi/cAMP pathway. This work provides the first full description of the ERK signaling pathway activated by MT1 and MT2, highlights differences between the two receptors and describes a new cooperativity model between Gi/o and G/11 proteins.Naturally occurring receptor variants might have modified signal transduction properties and modified physiological functions. The functional assessment of disease-associated variants is therefore extremely important to establish a link between modified function and disease to eventually design new therapeutic strategies. In article 2, we established the ERK1/2 signaling profile of 40 natural MT2 variants associated with type 2 diabetes (T2D) by measuring ERK phosphorylation directly in cell lysates with the alpha-screen technology. Collectively, article 2 confirmed the general association between loss-of-function of MT2 and increased T2D risk and showed that the ERK1/2 pathway is not among those pathways primarily associated to T2D risk.Generation and aggregation of the amyloid-beta peptides (Aβ) is the main molecular hallmark of Alzheimer’s disease (AD). In AD patients both components of the melatoninergic system, i.e. melatonin production and melatonin receptor function, are markedly reduced. However, the mechanistic basis for that is still poorly understood. In article 3, we demonstrate that Aβ abolishes melatonin synthesis and diminishes MT1- and MT2 functions such as the activation of the ERK1/2 pathway by melatonin. This work provides a mechanistic basis for the diminished responsiveness of the melatoninergic system in AD patients.Collectively, this thesis provides new insights on how human melatonin receptors promote ERK1/2 activation and how this activation is modified by Aβ in the context of AD and by MT2 variants associated with T2D.

G-Protein-gekoppelte einwärtsgleichrichtende Kalium-Kanäle sind durch zwei Eigenschaften gekennzeichnet: (I) Die Leitfähigkeit für K+-Ionen ist positiv des Kalium-Gleichgewichtspotentials reduziert und (II) die Kanal-Aktivität wird durch Bindung von G betagamma-Dimere heterotrimerer Gi/o-Proteine reguliert. In der Literatur wurde die Aktivierung von GIRK-Kanälen als eine Zunahme ihrer Offenwahrscheinlichkeit unabhängig vom Membranpotential beschrieben. Die vorliegenden Untersuchungen zeigten, dass es bei starker Aktivierung des GIRK-Kanals durch G betagamma-Dimere auch zu einer Abschwächung der Einwärtsgleichrichtung kommt. Im heterologen Expressionssystem konnte bei Rezeptor-Stimulation mit Agonist die Einwärtsgleichrichtung von GIRK-Kanälen abhängig von der Stärke der Koexpression von G betagamma-Dimeren geschwächt werden. Dieser Effekt entstand nicht durch eine Veränderung der Affinität, mit der Polyamine und Mg2+-Ionen den GIRK-Kanal membranpotentialabhängig blockieren. Die Kinetik, mit der Polyamine den GIRK-Kanal blockieren, war nicht verändert; eine Erhöhung der intrazellulären Mg2+-Konzentration um den Faktor 20 konnte eine Abschwächung der Einwärtsgleichrichtung nicht mindern. Es wurde vermutet, dass eine Änderung der Konformation von Strukturen nahe des Selektivitätsfilters die Abschwächung der Einwärtsgleichrichtung verursacht. Gestützt wurde diese Vermutung zum einen dadurch, dass Ba2+- und Cs+-Ionen, die von extrazellulärer Seite her den Kanal an Strukturen nahe des Selektivitätsfilters blockieren können, unter schwach einwärtsgleichrichtenden Bedingungen eine geringere Bindungsaffinität hatten und zum anderen dadurch, dass das relative Ausmaß des GIRK-Kanal-Blocks durch Cs+-Ionen mit der Stärke der Einwärtsgleichrichtung korrelierte. / G Protein-coupled inwardly rectifying potassium channels (GIRK channels) conduct K+ ions at membrane potentials negative of the potassium reversal potential and are activated by binding of G betagamma subunits of heterotrimeric Gi/o proteins. Activation of GIRK channels was described to be a process, which results in an increase in open probabilty independent of the membrane potential. The investigations of this thesis enhance this modell by supoorting evidence, that the degree of rectification becomes weakened upon strong GIRK channel activation. The weakened inward rectification was not associated with a shift in Mg2+ or polyamine binding affinities towards GIRK. It was concluded, that structeres close to the selectivity filter may be involved in the process, as proposed by the finding, that Cs+ and Ba2+ block (which is considered to take place near the selectivity filter) is less efficient in weakly inward rectifying GIRK channels.

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