Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La mélatonine est une hormone synthétisée et sécrétée uniquement la nuit par la glande pinéale. Son rôle principal est son implication dans la synchronisation de la saison de reproduction. La mélatonine se lie aux récepteurs, MT1 et MT,, membres de la famille des récepteurs à sept domaines transmembranaires couplés aux protéines G (RCPG).Le clonage récent du récepteur ovin MT2a remis en cause toutes les données connues. La pharmacologie et les voies de signalisation du récepteur oMT2ont été étudiées et sont communes à celles des récepteurs des autres espèces. En revanche, oMT2possède une originalité de séquence avec la présence du motif DRY, fortement impliqué dans l’établissement de l’activité constitutive des RCPG. D’une part, nous avons montré que l’ensemble des récepteurs MT possèdent une activité constitutive. D’autre part, nous avons identifié deux agonistes inverses pour les récepteurs hMT2, initialement décrits comme antagonistes. Dans l’optique de discriminer les rôles respectifs des récepteurs MT in vivo, le développement d’une approche par ARN interférents a été validée dans un modèle cellulaire, la lignée CHO-KI exprimant les récepteurs ovins et de rat. / Melatonin is a hormone synthesized and secreted only during night by pineal gland. A main role of melatoninconcerns its implication in the synchronization of reproductive seasonality. Binding sites of melatonin are MT1and MT2 receptors which belong to the superfamily of seven-transmembrane-spanning G protein-coupledreceptors (GPCRs).Recent cloning of ovine MT2 receptor has challenged the knowledge about melatonin receptors. Wedemonstrated that its pharmacology and signalling pathways were similar to subtype 2 receptor of othersspecies (human and rat). Nevertheless, oMT2 receptor possesses a particularity of sequence, with the presenceof DRY motif which is known to be involved in the establishment of constitutive activity of GPCRs. In ourstudy, we demonstrated the existence of constitutive activity for ail the melatonin receptors. In addition, weidentified two inverse agonists for human MT2 receptors, previously described as antagonists. To describe therespective roles of each subtype of melatonin receptors in vivo, siRNA approach was developed in cell line,CI-10-K Iexpressing ovine and rat melatonin receptors

La dépression est l’un des troubles mentaux les plus fréquents de nos jours. C’est une maladie liée en général à un déficit en neurotransmetteurs monoaminergiques (sérotonine, noradrénaline et dopamine). Les antidépresseurs actuels agissant via des mécanismes monoaminergiques présentent de nombreux effets secondaires et peuvent conduire à une accoutumance. L’une des approches impliquerait le ciblage des récepteurs mélatoninergiques afin de resynchroniser les rythmes circadiens qui sont perturbés dans certaines pathologies du système nerveux central, notamment la dépression. La conception de ligands non monoaminergiques et possédant des propriétés chronobiotiques constituerait une stratégie prometteuse.L’agomélatine (Valdoxan®) issue d’une collaboration entre le laboratoire de chimie thérapeutique (EA4481 - GRIIOT) et les laboratoires Servier est commercialisée depuis 2009 pour le traitement de la dépression majeure. Ce bioisoster naphtalénique de la mélatonine possède un mécanisme d’action innovant. Elle se distingue par ses propriétés agoniste non sélectif des récepteurs mélatoninergiques MT1 et MT2 et antagoniste des récepteurs 5-HT2c.L’objectif de ce travail réside dans la conception et la synthèse de nouveaux ligands successeurs de l’agomélatine présentant un profil pharmacologique et pharmacocinétique amélioré. Différentes pharmacomodulations ont été réalisées sur l’agomélatine. Les stratégies de «Drug Design» notamment le principe de bioisostérie ont été appliquées, nous permettant ainsi la synthèse de nouvelles familles de composés présentant des profils pharmacologiques intéressants. / Nowadays, depression related to a deficit in nonoaminergic neurotransmitters, is the most frequent mental illness. Available antidepressive drugs acting through monoamnergic mechanisms possess a lot of side effects and can lead to an addiction. One approach involves targeting melatoninergic receptors to resynchronize circadian rhythms, which are known to be perturbed in some pathology related to nervous central system as depression. So conception of non-monoaminergic ligands with chronobiotic properties would constitute a promising strategy.Agomelatine (Valdoxan®) a novel antidepressant developed by Servier and our laboratory (EA4481 - GRIIOT) was granted marketing authorization in 2009 for the treatment of major depressive disorder. This naphthalen analogous of melatonin possess an innovative mechanism. It acts as a non selective melatoninergic MT1/MT2 receptors agonist and a serotonin 5-HT2c receptor antagonist.The aim of this work is to design and synthesize new potential successors of agomelatine with an improved pharmacological and pharmacokinetic profile. Drug Design strategies such as bioisosterism were applied to allow the elaboration of new series of compounds with interesting pharmacological profiles.

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.