Bacteriorhodopsin (bR) is a 7TM membrane protein expressed in Halobacterium salinarum. Due to its stability and high expression levels, bR serves as a model for other 7TM membrane proteins. Neurotensin receptor 1 (NTS1) is a member of pharmacologically relevant G protein-coupled receptor superfamily, and is the high affinity receptor for neurotensin, a 13mer peptide that can be found in the brain, gut, and central nervous system. NTS1 is a target for Parkinson’s, Schizophrenia, and drug addiction. This thesis aims to develop pulsed magnetic resonance techniques and sample preparation forms for high resolution structural studies on 7TM proteins. In this thesis, pulsed dipolar distance electron paramagnetic resonance (EPR) methods for the study of proteins in their native membrane are established. bR is spin-labeled, and a wellresolved distance distribution is measured in excellent agreement with other structural data. Preliminary distance data for a photoexcited state of bR suggests quaternary rearrangements in the native membrane that are agreement with published AFM results. A fitting method is developed to enable measurements of systems with rapid signal decay, a common feature in reconstituted systems studied by pulsed EPR methods. A physical chemical characterization of nanosized-bilayer discs termed Lipodisqs®, and the successful incorporation of bR is presented. Lipodisqs® are formed from DMPC and a polymer that is able to solubilize DMPC vesicles into discrete particles. Lipodisqs® possess a broad phase transition with increased lipid ordering compared to a DMPC dispersion. The SMA polymer interacts with the lipid tails, but does not perturb the headgroup. BR is incorporated in the monomeric form, and EPR dynamic and distance measurements confirm that Lipodisqs® preserve the native structure of bR, whilst detergent solubilisation increases the overall mobility compared to bR in its native membrane, suggesting that Lipodisqs® serve as an excellent medium for EPR studies on 7TM membrane proteins. A cysteine-depleted mutant of active, ligand binding NTS1 is constructed. Cysteines are reintroduced at positions that may be able to monitor agonist and inverse-agonist induced conformational and dynamic changes. A spin-labeling protocol is developed, and preliminary EPR measurements are discussed. Dynamic nuclear polarization (DNP) results are presented with uniformly-¹³C-labelled bR in the PM, resulting in a DNP enhancement of 16 using the biradical nitroxide polarizing agent, TOTAPOL. DNP-enhanced solid state NMR (ssNMR) is typically carried out at cryogenic temperatures, resulting in poor spectral resolution compared to ambient temperatures. Two different forms of samples are prepared that could potentially lead to better-resolved DNP spectra. BR is reverse labelled by adding natural abundance amino acids to isotopically labelled growth medium, resulting in the partial depletion of resonance signals that may obscure and crowd the NMR spectra. A crystalline sample of bR is prepared using the LCP method for crystallization, which is to date the most successful method for the crystallization of GPCRs. In summary, the first pulsed dipolar measurements of a protein in its native membrane are shown, Lipodisqs® are characterized and found to be a suitable medium for structural and functional studies of 7 TM membrane proteins, the first preliminary EPR studies on a ligand binding GPCR are presented, and novel sample preparation techniques are developed for the nitroxide-based DNP enhancement of ssNMR data. This thesis opens up several avenues for future research into 7TM membrane proteins.

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson. / Dopamine (DA) is a neurotransmitter involved in the modulation of essential brain functions such as control of voluntary movements, the reward system and certain aspects of cognition. Since its discovery, DA has attracted a lot of attention, in part because of the severe pathologies associated with dysfunctions in the DAergic system such as Parkinson's disease, schizophrenia and substance abuse. In the brain, the majority of DAergic neurons are found in the substantia nigra pars compacta (SNc) and the ventral tegmental area (VTA), two nuclei of the ventral mesencephalon. These neurons project theirs axons in a dense network of DAergic fibers that form three major pathways: the nigrostriatal, mesolimbic and mesocortical pathways. DAergic transmission is accomplished by the activation of DAergic receptors that are part of the G protein-coupled receptor family. These receptors are abundantly expressed by DAergic target neurons and DAergic neurons themselves, which implicates that the comprehension of DAergic signaling and specific receptor function pre- and postsynaptically is a crucial aspect in the study of DA. This thesis is thus divided into two distinct parts: the first part addresses the regulation of presynaptic D2 receptor function by neurotensin, a neuropeptide intimately associated with the modulation of the DAergic system; the second part addresses the postsynaptic influences of DA, looking specifically at the segregation of DAergic receptor expression in the developing striatum and the function of these receptors in the establishment of neuronal excitatory connections in this region. In the first part of this thesis, we demonstrate that the activation of the high affinity neurotensin receptor, NTR1, induces heterologous D2 receptor internalization, with some particular differences in the amplitude and kinetics between the two D2 isoforms. This internalization is dependent on protein kinase C activity (PKC), and we demonstrate that overexpression of a D2 receptor with mutations on PKC phosphorylation sites and the knockdown of β-arrestin1 by interfering RNAs in cultured DAergic neurons completely abrogates the functional interaction between the NTR1 and the D2. iv In the second part of this thesis, we first demonstrate that D1 and D2 DAergic receptor segregation is already well established in the striatum by embryonic day 18, even if it still progresses significantly through postnatal days 0 and 14. Our results also show complete maintenance of this segregation in cultured MSNs either with or without cortical and/or mesencephalic neurons. Next, we demonstrate that the presence of mesencephalic neurons stimulates excitatory synapse formation on D2-expressing striatal medium spiny neurons (D2-MSNs). The conditional genetic deletion of the glutamatergic co-phenotype of DA neurons prevents much of this effect, and thus glutamate corelease by DA neurons seems to play an important role in excitatory synapse formation in the striatum. We also find that the establishment of excitatory terminals by cortical and mesencephalic neurons is regulated by a dynamic equilibrium. Finally, we show that chronic DA receptor blockade is not required for D2-MSN synaptogenesis, but chronic glutamatergic receptor blockade decreases dendritic spine formation and regulates cortical and mesencephalic glutamatergic synapses in an opposite manner. Globally, this work represents a significant contribution to a better understanding of the normal functioning of the DAergic system. These discoveries could prove useful to better understand the dysfunctions of this system in the context of brain pathologies such as Parkinson’s disease.

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson. / Dopamine (DA) is a neurotransmitter involved in the modulation of essential brain functions such as control of voluntary movements, the reward system and certain aspects of cognition. Since its discovery, DA has attracted a lot of attention, in part because of the severe pathologies associated with dysfunctions in the DAergic system such as Parkinson's disease, schizophrenia and substance abuse. In the brain, the majority of DAergic neurons are found in the substantia nigra pars compacta (SNc) and the ventral tegmental area (VTA), two nuclei of the ventral mesencephalon. These neurons project theirs axons in a dense network of DAergic fibers that form three major pathways: the nigrostriatal, mesolimbic and mesocortical pathways. DAergic transmission is accomplished by the activation of DAergic receptors that are part of the G protein-coupled receptor family. These receptors are abundantly expressed by DAergic target neurons and DAergic neurons themselves, which implicates that the comprehension of DAergic signaling and specific receptor function pre- and postsynaptically is a crucial aspect in the study of DA. This thesis is thus divided into two distinct parts: the first part addresses the regulation of presynaptic D2 receptor function by neurotensin, a neuropeptide intimately associated with the modulation of the DAergic system; the second part addresses the postsynaptic influences of DA, looking specifically at the segregation of DAergic receptor expression in the developing striatum and the function of these receptors in the establishment of neuronal excitatory connections in this region. In the first part of this thesis, we demonstrate that the activation of the high affinity neurotensin receptor, NTR1, induces heterologous D2 receptor internalization, with some particular differences in the amplitude and kinetics between the two D2 isoforms. This internalization is dependent on protein kinase C activity (PKC), and we demonstrate that overexpression of a D2 receptor with mutations on PKC phosphorylation sites and the knockdown of β-arrestin1 by interfering RNAs in cultured DAergic neurons completely abrogates the functional interaction between the NTR1 and the D2. iv In the second part of this thesis, we first demonstrate that D1 and D2 DAergic receptor segregation is already well established in the striatum by embryonic day 18, even if it still progresses significantly through postnatal days 0 and 14. Our results also show complete maintenance of this segregation in cultured MSNs either with or without cortical and/or mesencephalic neurons. Next, we demonstrate that the presence of mesencephalic neurons stimulates excitatory synapse formation on D2-expressing striatal medium spiny neurons (D2-MSNs). The conditional genetic deletion of the glutamatergic co-phenotype of DA neurons prevents much of this effect, and thus glutamate corelease by DA neurons seems to play an important role in excitatory synapse formation in the striatum. We also find that the establishment of excitatory terminals by cortical and mesencephalic neurons is regulated by a dynamic equilibrium. Finally, we show that chronic DA receptor blockade is not required for D2-MSN synaptogenesis, but chronic glutamatergic receptor blockade decreases dendritic spine formation and regulates cortical and mesencephalic glutamatergic synapses in an opposite manner. Globally, this work represents a significant contribution to a better understanding of the normal functioning of the DAergic system. These discoveries could prove useful to better understand the dysfunctions of this system in the context of brain pathologies such as Parkinson’s disease.

This thesis examines the structure and regulated expression of the gene encoding the neuroendocrine peptides neurotensin and neuromedin N (NT/N gene). Previous studies have shown that expression of NT/N mRNA and NT peptide in PC12 cells are strictly dependent on simultaneous exposure to combinations of nerve growth factor (NGF), glucocorticoids, activators of adenylate cyclase, and lithium ion. My objective was to characterize the cis-regulatory DNA sequences involved in regulated expression of this gene. The initial focus of this study was an analysis of the structure, tissue-specific expression, and exon evolution of the rat NT/N gene. Nucleotide sequence comparisons between the rat gene and the canine and bovine cDNA sequences indicated that the predicted structure of a 170 amino acid precursor protein is highly conserved. Furthermore, the close similarity between the two cDNAs suggested that identical precursor proteins are expressed in neural and endocrine tissues. RNA analysis revealed that the gene is transcribed to yield two distinct mRNAs, 1.0 kb and 1.5 kb in size. The two mRNA species differ only in the size of their 3' untranslated regions. Interestingly, the smaller mRNA is predominant in the gastrointestinal tract, while both mRNAs are equally abundant in all neural tissues examined, except the cerebellum, where no expression was observed. Transient transfection assays were used to delineate the rat NT/N gene cis-regulatory DNA sequences. Progressive deletion of the NT/N 5' flanking region revealed that sequences between -216 and +56 of the NT/N gene are sufficient to confer the full spectrum of responses of the endogenous gene to either of two reporter genes. A detailed mutational analysis of the NT/N control region indicated that it is composed of an array of inducible cis-regulatory elements, including an AP-1 site, two cAMP-responsive elements (CREs), and a glucocorticoid-responsive element (GRE). Specific mutations to the AP-1 site and either CRE suggested that these elements are functionally interdependent. I propose that this array of cis-regulatory sequences in the NT/N transcriptional control region serves to integrate multiple environmental stimuli into a unified transcriptional response. To further examine the role of the AP-1 site and CREs in the NT/N promoter, reporter genes containing either a single or multiple AP-1 or CRE sites were expressed in PC12 cells and protein kinase A-deficient PC12 cells treated with forskolin, NGF, and lithium, either individually, or in combination. The results indicated that lithium and NGF markedly activate promoters containing multiple AP-1 sites, but not a single site, and that these effects were additive. Both agents potentiated forskolin-induced activation of promoters containing a single or multiple CREs, but had no effect, individually. Also, in contrast to the activation of multiple AP-1 sites by lithium and NGF, activation of the NT/N promoter and promoters containing CREs is absolutely dependent on protein kinase A activity. These results suggested that promoters containing multiple AP-1 sites, or a single AP-1 site in the context of nearby active CREs, are selectively activated by lithium and NGF in PC12 cells. Based on the results of this thesis I have proposed a model to account for the complex transcriptional regulation of the NT/N gene in PC12 cells. I have also addressed the relevance of these findings to the mechanisms of phenotypic plasticity of embryonic neural crest cells, NGF-induced neuronal differentiation, and the pharmacological actions of lithium.

Le cancer de l'ovaire est la huitième cause de décès par cancer chez la femme dans le monde. Le traitement proposant la combinaison carboplatine-paclitaxel donne un taux de réponse complet dans 40 à 60 % des cas. Cependant, plus de 90 % des patientes récidive après 2 ans. Il a été montré que le complexe de neurotensine (NTS) et son récepteur à haute affinité 1 (NTSR1) favorise la progression du cancer par prolifération, migration, invasion et néoangiogenèse in vitro et/ou in vivo dans de nombreux cancers. A ce jour, le rôle du complexe NTS/NTSR1 dans la réponse à la chimiothérapie n'a pas été pris en compte. Dans ce travail, j'ai étudié si les inhibiteurs ce complexe pouvait améliorer la réponse à la chimiothérapie, et les mécanismes associés à cet effet. Dans une série de 46 patients, NTS et NTSR1 ont été détectés respectivement dans 72% et 74% des cas. L'étude du transcriptome de cancer de haut grade a montré que l'expression du NTSR1 était liée à des stades plus élevés et au statut "résistance". J'ai pu mettre en évidence la contribution de la voie NTS/NTSR1 à réponse la chimiothérapie en utilisant deux lignées cellulaires de cancer de l'ovaire. En présence d'un antagoniste spécifique du NTSR1, le SR48692, des cellules cancéreuses de l'ovaire ou des tumeurs expérimentales ont montré une réponse amplifiée au carboplatine. En effet, la présence du SR48692 diminue l'efflux de carboplatine des cellules, et ainsi augmente les dommages à l'ADN induit par le platine. L'apoptose a également été renforcée en présence de cet antagoniste. Ces résultats renforcent notre hypothèse selon laquelle le blocage de la voie NTS/NTSR1 améliore la réponse à la chimiothérapie. / Ovarian cancer (OC) is the eighth most common cause of cancer death in female worldwide. Because OC has often no apparent symptoms at the early stages, the majority is diagnosed at the advanced stages. The combination of carboplatin plus paclitaxel, results in a complete response rate in 40-60 % of the cases. However, more than 90% patients relapse after 2 years, and in most cases, recurrent patients becomes incurable due to the chemoresistance. The complex of neurotensin (NTS) and its high affinity receptor 1 (NTSR1) has been shown to promote cancer progression in many type of cancer, via proliferation, survival, migration, invasion cellular effects, and neoangiogenesis. To date, the role of the complex NTS/NTSR1 in the platinum-based chemotherapy has not been considered. I studied whether NTS/NTSR1 inhibitors could enhance chemotherapy and the related mechanism. In a series of 46 patients, NTS and NTSR1 were detected in 72% and 74% of cases, respectively. Transcriptome analysis in a large series of high grade OC showed that NTSR1 expression was correlated with higher stages and with platinum resistance. We studied the contribution of NTS/NTSR1 pathway to chemotherapy by using two OC cell lines. In the presence of NTSR1 specific antagonist, SR 48692, OC cells or experimental tumors showed an enhanced response to carboplatin. SR 48692 decreased the efflux of carboplatin and increase the DNA damage induced by the platinum. Apoptosis was also enhanced in the presence of NTSR1 antagonist. These results strengthen our hypothesis that the blockade of NTS/NTSR1 pathway enhances the response to chemotherapy and potentially sensitizes tumor cells resistant to platinum.

Les cancers hépatiques, bronchiques et mammaires sont responsables de 35 % de décès par le cancer en 2012. Les études sur des facteurs contribuant à la progression tumorale devraient approfondir nos connaissances sur la biologie de ces cancers et ouvrir de nouvelles voies pour le développement de stratégies thérapeutiques. Dans ce contexte, nous avons étudié l'impact de la neurotensine (NTS) et de son récepteur NTSR1 sur la progression tumorale et son rôle potentiel pour de futures applications cliniques. J’ai initié ce projet dans le carcinome hépatocellulaire (CHC) et participé aux projets dans le cancer du poumon et du sein qui avaient été initiés par les anciens doctorants de l’équipe. Dans le CHC, sur une série de 73 patients, la NTS et le NTSR1 ont été détectés dans respectivement 56 % et 64 % des cas. En utilisant deux modèles cellulaires nous avons montré que l’expression du NTSR1 est une cible de la voie wnt/β-caténine. Le couple NTS/NTSR1 augmente l’expression et l’activation de l’EGFR et favorise la croissance des tumeurs expérimentales et la capacité de migration et d’invasion des cellules. La régulation entre le complexe NTS/NTSR1 et les récepteurs des HERs a également été observée dans les cancers bronchiques et mammaires, la NTS induit l'expression et l'activation constitutive des récepteurs EGFR, HER2 et HER3, par l'intermédiaire de l'activation des métalloprotéinases qui libèrent les ligands “EGF-like” spécifiques d'EGFR et d’HER3. L’activation constitutive des HER par le couple NTS/NTSR1 mime les mutations activatrices des HERs, ainsi la réponse des tumeurs aux inhibiteurs de tyrosine kinase est potentialisée dans le cancer du poumon, du sein et du foie. / In 2012, Liver, lung and breast cancers represented 30% of new cancer cases, and 35% of cancer related deaths. Identification of factors contributing to tumor progression can strengthen our understanding of the cancer biology and suggest new therapeutic strategies. In this context, we studied the impact of neurotensin (NTS) and its receptor NTSR1 on tumor progression and its potential clinical application. I have initiated the project in hepatocellular carcinoma (HCC) and participated in the projects on lung and breast cancers initiated by former PhD students. In HCC, on a series of 73 patients, NTS and NTSR1 were detected in 56% and 64% of the cases, respectively. Meanwhile, I showed that NTSR1 expression is the target of the Wnt/¦Â-catenin pathway. The NTS / NTSR1 complex increases the expression and activation of EGFR and promotes the growth of experimental tumors and the ability of the cell for migration and invasion. The regulation between the NTS/NTSR1 complex and EGF receptors were also thoroughly studied in lung and mammary cancers. Indeed, NTS induced the expression and the constitutive activation of EGFR, HER2, and HER3, through the activation of metalloproteinases which released specific "EGF-like" ligands for EGFR and HER3. Constitutive activation of HERs by the NTS/NTSR1 complex mimics the activating mutations of HERs and therefore potentiates the tumor response to tyrosine kinase inhibitors treatment in liver, lung and breast cancers.

The focus of experiments presented in this dissertation is to determine how signals created by exposure to environmental stimuli are integrated at the level of transcription, resulting in the generation of specific patterns of gene expression. The model system used was expression of the neurotensinl neuromedin N (NT/N) neuropeptide gene in the neuroendocrine PC12 cell line. This gene is synergistically activated in PC12 cells in response to nerve growth factor, lithium, glucocorticoids, and activators of adenylate cyclase. Several cis-regulatory elements were identified within a 200 bp regulatory region, including AP-1, CRE, and GRE-like elements. Mutational analysis confirmed the importance of these elements for responses to inducer combinations. The primary objective was to identify proteins that interact with NT/N promoter sequences and determine if they are important in mediating responses to inducer combinations. The first set of experiments was designed to investigate changes in AP-1 binding activity. Previous analysis had shown that mutation of the AP-1 site severely curtails responses to all inducer combinations indicating that AP-1 plays a pivotal role in NT/N gene activation. DNA binding studies using in vitro synthesized AP-1 proteins revealed that all heterodimeric combinations could bind both the AP-1 and JARE sites; however, these complexes displayed a higher affinity for the AP-1 site. c-Jun homodimers were also found to bind both these sites albeit with a lower affinity and with a preference for the JARE site. These studies revealed that specificity is probably not at the level of DNA binding. Therefore, it was possible that only a subset of AP-1 proteins were activated upon stimulation. DNase I footprint analysis using nuclear extracts from PC12 cells showed changes in protection at the consensus AP-1 site upon treatment with inducers suggesting changes in AP-1 binding activity. It was found that AP-1 binding activity was increased upon stimulation, with the major component being Jun B. However, substantial levels of c-Fos and c-Jun were also detected at some time points. These results coupled with transfection data demonstrating that forced expression of c-Jun and c-Fos result in potent synergistic activation of the NT/N promoter support the hypothesis that c-Jun and c-Fos are also involved in NT/N gene activation. DNase I footprinting studies using PC12 nuclear extracts also revealed substantial areas of protection surrounding the CRE element. This result, along with the high degree of conservation of these sequences between human and rat, suggested they play a role in the regulation of the NT/N gene in PC12 cells. Mutational analysis of this region showed that sequences upstream of the CRE were important for full activation of the NT/N promoter. Specific mutation of the CRE resulted in a 75% decrease in activity upon induction, a level similar to that observed previously with less precise linker scanner mutations. This site had also been shown to be critical for c-Jun mediated NT/N activation, even though c-Jun homodimers do not bind this site in vitro. Therefore, nuclear extracts from PC12 cells were tested for the presence of proteins which could bind this site. Complexes composed of both c-Jun and ATF-2 were found in extracts from both uninduced and induced PC12 cells. ATF-2 could mediate both the recruitment of c-Jun to this site as well as mediate the effect of activators of adenylate cyclase, since ATF-2 has been shown to be a target for protein kinase A in vitro. Expression of ATF-2 in PC12 cells resulted in a modest increase in NT/N promoter activation. The significant levels of endogenous ATF-2 protein in PC12 cells most likely accounts for the relatively small magnitude of this effect. Experiments with the closely related protein, ATF-a2, revealed that it potently antagonizes c-Jun activation while forced expression of ATF-2 did not affect c-Jun activation under the conditions analyzed. Therefore, ATF proteins could be involved in both activation and repression of the NT/N gene. Both c-Jun and ATF-2 have been shown to be activated by c-Jun N-terminal kinase (JNK) in response to environmental stress or cytokine activation. Therefore, the ability of inducers to activate the previously described N-terminal ATF-2 activation domain was investigated using a GAL4-ATF-2 (1-109) chimer construct. This construct was not significantly activated by inducer combinations that result in high level NT/N gene expression, indicating that activation of ATF-2 through this pathway is not involved in NT/N gene activation. Also activation of JNK, a MAPK which activates both c-Jun and ATF-2, only partially substituted for NGF indicating that NGF activates an additional pathway. The data presented here support a model involving synergistic transcriptional activation of the NT/N promoter by c-Jun/c-Fos, ATF-2, ATF-2/c-Jun and the GR. ATF-2 was found to enhance NT/N promoter activation while a splice variant (ATF-2 195) lacking a central portion of ATF-2 that is rich in Ser/Thr residues had no effect suggesting that this region could be important for ATF-2 activation in PC12 cells. The identification of the signaling pathways that mediate the effects of inducer combinations on NT/N gene activation will be an important future goal and should provide insights into the control of neuronal gene expression.

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT. / The meso-corticolimbic dopamine (DA) system of the brain, originating in the ventral tegmental area (VTA), is strongly implicated in reward, motivation and drug addiction. Drugs of abuse activate this system and cause significant long term plasticity. DA neurons in the VTA receive are densely innervated by glutamatergic inputs. All major classes of drugs of abuse have been found to cause a long term potentiation (LTP) of glutamate transmission onto DA neurons of the VTA. LTP is an enduring increase of synaptic transmission, hypothesized to underlie memory and learning. Endocannabinoids (ECs) are transmitters that act in a retrograde fashion on pre-synaptic receptors leading to a decrease in neurotransmitter release. DA neurons can release ECs from their somatodendritic compartment in response to afferent stimulation or depolarization. Neurotensin (NT) is a neuropeptide that presents an extensive interaction with the DA system. It was discovered that NT can induce production of ECs in the striatum. In the first study of this thesis, we used a combination of immunohistochemical, pharmacological and electrophysiological techniques in mouse brain slices to demonstrate that CB1 EC receptors are present on glutamatergic afferents to DA neurons. Their activation induces a depression of glutamate release. We further showed that trains of afferent stimulation induce EC release from DA neurons and that in the presence of the CB1 antagonist AM251, there is a marked facilitation of the induction of LTP, suggesting that ECs produced in response to activation of glutamate synapses normally negatively regulate the induction, but not the expression of LTP. Finally, we found that 2-arachidonoylglycerol (2-AG) is the main EC implicated in this negative regulation of LTP and that LTP induced in the presence of a CB1 receptor antagonist is otherwise also dependent on NMDA glutamate receptors. In the second study, we report that NT is present in a subset of glutamatergic axon terminals in the VTA and that activation of NT receptors by exogenous NT induces a long-lasting decrease of the amplitude of excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in VTA DA neurons. This decrease was blocked by a broad-spectrum NTR antagonist, as well as by a specific antagonist of the type 1 NT receptor NTS1. The decrease was also blocked when CB1 receptors or 2-AG synthesis were blocked. Chelating intracellular calcium had no effect, but inhibiting G-proteins or phospholipase C blocked NT-mediated synaptic depression. The long-lasting nature of the synaptic depression induced by NT was due to protracted EC release and not to prolonged NT receptor activation. Finally, our observation that a NT receptor antagonist did not facilitate LTP induction, as did a CB1 receptor antagonist, suggests that repetitive stimulation of glutamatergic afferents required to induce LTP does not cause EC production through the release of NT, thus allowing us to conclude that secretion of NT does not act under such conditions as a negative regulator of LTP.

Membrane proteins play a key role in numerous physiological processes such as transport, energy transduction in respiratory and photosynthetic systems, and signal transduction, and are of great pharmaceutical interest, comprising more than 60% of known drug targets. However, crystallisation of membrane proteins, and G protein-coupled receptors (GPCRs) in particular, still relies heavily on the use of protein engineering strategies, which have been shown to hamper protein activity. Here, a range of biophysical methods were used to study the structure and function of two membrane proteins, a prokaryotic peptide transporter, PepT_So and a GPCR, neurotensin receptor 1 (NTS1), using different membrane reconstitution methods to study the proteins in a native-like environment. Firstly, using the pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) method of double electron-electron resonance (DEER) the conformation of PepT_So reconstituted into lipid bilayers was assessed and compared to previous structural data obtained from crystallography and modelling. The influence of the membrane potential and the presence of substrate on the conformational heterogeneity of this proton-coupled transporter were investigated. Secondly, NTS1 purification was optimized for biophysical study. Cysteine mutants were created and a labelling protocol was developed and optimized for fluorophore and nitroxide labelling studies. NTS1 was then studied by continuous-wave EPR, to assess the influence of ligand on local protein dynamics, and to assess the structure of a receptor segment known as helix 8, that was proposed to be an α-helix, but was only observed to be helical in one of the NTS1 crystallographic studies. Ensemble and single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET), and DEER were combined to study the dimerisation behaviour of NTS1, showing novel dynamics of the interfacial associations. Finally, the signalling mechanism of NTS1 was also investigated using microscale thermophoresis (MST) to assess the affinity of the receptor for G protein in vitro in the absence of ligand, or in the presence of agonist or antagonist. MST measurements were performed in detergent and in nanodiscs of different lipid compositions, to assess the influence of the lipid environment on receptor function. In summary, this thesis demonstrates the potential of biophysical techniques to study various aspects of membrane protein structure and function in native-like lipid systems, complementing e.g. structural data obtained from crystallographic studies with functional data for membrane proteins in more native environments, as well as shedding light on protein dynamics. The work presented here provides novel insights into PepTSo transport, and in particular into NTS1 structure, signalling, and oligomerisation, opening up several avenues for future research.

Le travail présenté dans ce manuscrit a pour objectif la synthèse d'analogues sélectifs NTS2 de la neurotensine et l'étude de leur potentiel analgésique. La faible biodisponibilité de la neurotensine, caractérisée par sa courte durée de demi-vie et le non passage de la barrière hémato-encéphalique, est l'un des problèmes majeurs pour son activité biologique. Dans un premier temps, nous avons développé la synthèse d'aminoacides non naturels hydrophobes : la (triméthyl)silylalanine, des glycines N-substituées et des α-aminoacides insaturés, alliant la non reconnaissance par les enzymes et l'amélioration du passage des membranes. Puis, certains d'entre eux ont été incorporés à la séquence minimale active NT[8-13] afin d'évaluer leur impact sur l'affinité et/ou l'activité de ce fragment. Pour cela, nous avons synthétisé une série de peptides et pseudopeptides afin d'étudier d'une part leur affinité vers les récepteurs NTS1 et NTS2 et, pour certains d'entre eux, leur activité in vivo par des expérimentations sur le modèle de la douleur en collaboration avec l'université de Sherbrooke. Enfin, nous avons préparé une première série d'analogues de la neuromédine, agoniste des récepteurs de la NT et métabolite issu d'un précurseur commun, la pro-neurotensine. / The aim of this work concerns the synthesis of selective NTS2 neurotensin analogues as potent antinociceptive agents followed by biological activities studies. Poor bioavailability of neurotensin is one of the major obstacles for therapeutic effects. Indeed, this tridecapeptide has a short half-life time due to enzymatic degradation and is too hydrophilic to cross blood-brain barrier. First, we developed different methods to obtain hydrophobic unnatural amino acids like (trimethyl)silylalanine, N-substituted glycines and unsatured α-amino acids. All these peptide building blocks combine lipophilic properties facilitating membrane permeability and enzymatic unrecognition advantages. Some of them have been incorporated in the C-terminal active fragment NT[8-13] in order to evaluate their impact on affinity and/or biological activities. Thus, a series of new peptides and pseudopeptides was prepared and in vivo behavior was studied using a pain model designed in Sherbrooke university. Finally, we synthesized new analogues of neuromedin which is a neurotensin agonist issued from a common precursor, the pro-neurotensine.