Les récepteurs canaux P2X, sélectifs des cations, sont activés par l'ATP extracellulaire. Les récepteurs P2X remplissent de nombreux rôles physiologiques allant de la nociception à la neuromodulation. L'étude du rôle physiopathologique de ces récepteurs souffre d'un manque d'outils pharmacologiques sélectifs. L'optogénétique pharmacologique serait une méthode pour palier ce manque. Mes travaux se divisent en deux parties, l'une concernant l'étude structurale des récepteurs P2X et l'autre présentant le développement d'outils optogénétiques chimiques pour contrôler l'activité des récepteurs P2X. Dans une première série d'expériences nous avons identifié le site de liaison de l'ATP par marquage d'affinité dirigé à l'aide d'un analogue de l'ATP thiol réactif. Ensuite,nous avons démontré le mécanisme d'activation des récepteurs P2X dans une étude utilisant la bioinformatique et l'ingénierie de site zinc. Ainsi nous avons établi une corrélation entre l'ouverture du canal et le rétrécissement du site de liaison suite à la fixation de l'ATP. Enfin nous avons mis au point une nouvelle stratégie optogénétique chimique appelée « optogating » permettant de reprogrammer un canal ionique afin de le contrôler par la lumière. Nous avons montré qu'un récepteur canal modifié au niveau transmembranaire, par un réactif contenant un azobenzène, peut être activé réversiblement par la lumière sans recourir au ligand endogène. Nous avons réussi à photocontrôler l'activité neuronale à l'aide d'un récepteur P2X activé par la lumière,dans lequel, la sensibilité à l'ATP a été génétiquement supprimée. Cet outil est prometteur pour l'étude du rôle physiologique des récepteurs P2X in vivo. / The ATP-gated P2X receptors are trimeric ion channels that are selective to cations.These ion channels are involved in various physiological processes such as nociception and neuromodulation. The study of P2XR physiology suffers from a lack of selective pharmacological molecules. Optogenetic pharmacology could solve this problem. ln thiswork, 1 performed structural studies of P2X receptors and developed an original optochemical tool in order to contrai P2X activity. First, we localized the ATP-binding sites by creating, through a proximity-dependent"tethering" reaction, covalent bonds between a synthesized ATP-derived thiol-reactiveP2X2 agonist (NCS-ATP) and single cysteine mutants engineered in the putativebinding cavities of the P2X2 receptor. Next, we demonstrated that tightening of the ATP-binding sites correlates precisely with channel opening in the P2X2 receptor. Finally, we developed a unique and versatile method, in which the gating machinery of the P2X2 receptor was reprogrammed to respond to light. We found that channels covalently modified by azobenzene-containing reagents at the transmembrane segments could be reversibly turned on and off by light, without the need of the natural ligand (here ATP). We demonstrated photocontrol of neuronal activity by a light-gatedP2X receptor, in which the natural sensitivity to ATP was genetically removed. These light-gated P2X receptors represent valuable tools for investigating the physiological functions of P2X receptors.

Les récepteurs P2X, activés par l’ATP extracellulaire et cations non-sélectifs, sont impliqués dans de nombreux rôles physiopathologiques. Le manque de sélectivité de molécules pharmacologiques est un inconvénient majeur pour leur étude. La résolution de leurs structures cristallographiques a permis de les comprendre à l’échelle moléculaire, cependant les mécanismes impliqués dans les transitions allostériques restent mal compris. Au laboratoire, deux outils, dérivés d’azobenzène, permettant l’activation des récepteurs P2X en absence d’ATP et par la lumière ont été développés. L’utilisation de ces outils ont permis l’étude de la transition allostérique de l’état ouvert à l’état désensibilisé, mettant en avant une zone de régulation efficace dans les espaces transmembranaires. De plus, leur utilisation a permis l’investigation biophysique d’une mutation présente sur P2X2 humain, responsable d’une surdité non-syndromatique. Cette mutation entraine un rétrécissement du pore, impactant le passage de gros cations impliqués dans le processus d’audition. Enfin, la relation entre le diamètre du pore ionique et le passage de gros cations a été établi. / P2X receptors, activated by extracellular ATP and non-selective cations, are involved in many physiopathological roles. The lack of selectivity of pharmacological molecules is a major drawback for their study. The resolution of their crystallographic structures provided a molecular framework, but the mechanisms involved in allosteric transitions remain misunderstood. In the laboratory, two tools have been developed, derived from azobenzene, allowing the activation of P2X receptors in the absence of ATP and by light. The use of these tools allowed the study of the allosteric transition from the open to the desensitized state, highlighting an effective regulatory zone in transmembrane spaces. In addition, their use provided the biophysical investigation of a mutation present on hP2X2, responsible for non-syndromatic hearing loss. This mutation leads to a narrowing of the pore, affecting the large cations flow involved in hearing process. Finally, the relationship between the diameter of the ionic pore and the passage of large cations has been established.

Les récepteurs purinergiques P2Xs sont impliqués dans de nombreux processus physiopathologiques et représentent des cibles thérapeutiques majeures. Leur étude souffre néanmoins d’un manque de molécules pharmacologiques sélectives des différents sous-types et les mécanismes impliqués dans les transitions allostériques restent putatifs.Nous avons développé des outils optochimiques innovants, dérivés d’azobenzènes permettant une maîtrise spatiale et temporelle inégalée de la fonctionnalité du récepteur : d’une part,un outil dérivé d’une stratégie de pharmacologie optogénétique contrôlant l’activité d’un récepteur ingéniéré et d’autre part, une sonde moléculaire capable d’induire des mouvements entre des résidus au sein de la protéine et d’étudier les mécanismes lors de l’activation. Ces travaux nous ont permis de proposer un nouveau mécanisme d’activation du récepteur. Ces deux outils pourraient être utilisés sur d’autres cibles pour des investigations moléculaires et physiologiques. / Purinergic P2X receptors are implicated in a diverse range of physiopathological processes and are therefore promising therapeuthic target. Their study suffers from the lack of pharmacological tools selective of one subtype only and mechanisms by which the receptor switches between different conformational states remain elusive.We have developed novel optochemical tools based on azobenzene derivatives to obtain a spatio temporal control of the functionality of the receptor. Inspired by optogenetic pharmacology, we have designed an engineered receptor to control electrical activity of cultured neurons. Molecular photo-switchable tweezers have been developed to explore allosteric transitions of the protein and giving new insights into the P2X pore gating mechanism. This approach provides data enabling us to purpose a new model of the active state. The versability of the two strategies makes these tools promising for molecular and physiological studies of other membrane proteins.

Les récepteurs P2X (P2XR), activés par l’ATP, sont impliqués dans des rôles physiopathologiques. Leur fonctionnement est associé à différents états conformationnels. Le projet de thèse a mené à associer la synthèse organique et l’application de molécules photo-activables avec des techniques d’électrophysiologie patch-clamp, pour décortiquer les mouvements moléculaires de ces récepteurs et effectuer des relations structure-fonction, via trois stratégies : - La synthèse et application d’agrafes photo-isomérisables qui permet le photo-contrôle des P2XR et l’étude de mouvements - La synthèse et caractérisation d’un acide aminé (aa) photo-clivable pour étudier les implications de zones sur la fonction des P2XR via une photolyse - L’incorporation d’un aa non naturel dans les P2XR pour étudier des interactions et mouvements via un « photo-pontage ». Nous avons élucidé les mécanismes moléculaires responsables de la perméabilité des P2XR, récusé l’existence de l'état dilaté et identifié un cation organique physiologique pouvant les traverser. Nous avons aussi conçu un acide aminé photo-clivable pouvant mener à des études structure-fonction des P2XR. / P2X receptors are cationic ligand-gated ion channels, activated by extracellular ATP, involved in many physio-pathological roles. Their function is associated with different allosteric states. During this PhD, we have designed three new strategies, spanning photochemical organic synthesis and patch-clamp electrophysiology to elucidate the molecular mechanisms involved in these conformational states and to collect data in order to study structure-function relationships. - Synthesis and application of molecular tweezers, which allows the photo-control of P2X Rand the study of molecular motions - Synthesis and characterization of a photo-cleavable amino acid with the aim of incorporating it into P2XR and doing structure-function relationships - Incorporation of an unnatural amino acid for photo-crosslinking studies. We have been able to probe the molecular mechanism involved in large organic cations permeation of P2XR, to bring into question the dilated state and to identify a physiological cation that can flow through P2XR. We have also designed a photo-cleavable amino acid which could serve in the study of structure-function relationships.