Les canaux calciques neuronaux activés par le potentiel électrique de membrane (VGCCs) représentent une des voies majeures d'entrée du calcium dans la cellule nerveuse, où ils participent activement aux processus moléculaires de la transmission synaptique. De ce fait, leur activité est finement régulée, afin de garantir une parfaite coordination entre le flux calcique et les processus cellulaires qui lui sont associés. Aussi, les récepteurs couplés aux protéines G hétérotrimériques (RCPGs) occupent un rôle central dans le rétrocontrôle négatif de l'activité des VGCCs suite à la libération de neuromédiateurs. Cette régulation, directe et spatialement délimitée, est conduite par le dimère Gβγ, dont la fixation sur différents déterminants structuraux de la sous-unité Cav2.x conduit à l'inhibition drastique du courant calcique (régulation "ON"), indépendamment de la présence d'une sous-unité β. Le décrochage du dimère Gβγ, en réponse à l'activation du canal, reverse cette inhibition, et induit un ensemble de modifications phénotypiques apparentes de l'activité du canal (régulation "OFF"). Aussi, nous avons mis en évidence que la notion de "reluctance", décrite par le shift dépolarisant de la courbe d'activation du canal, communément accepté comme un caractère de la régulation "ON", ne traduit en définitive qu'une caractéristique particulière de la régulation "OFF". En revanche, la fixation du dimère Gβγ sur la sous-unité Cav2.x, est à l'origine d'un ralentissement de la cinétique d'inactivation du canal, et représente un caractère nouveau de la régulation "ON". Enfin, nous avons caractérisé l'implication majeure de l'inactivation rapide du canal, dans le caractère "OFF" de cette régulation. L'inactivation se présente comme un catalyseur du décrochage du dimère Gβγ, et délimite une fenêtre temporelle durant laquelle le processus peut avoir lieu. Ensemble, ces résultats permettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires à la base de la régulation directe de l'activité synaptique par les récepteurs couplés aux protéines G hétérotrimériques.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont les cibles de 50% des médicaments actuellement sur le marché pharmaceutique. La compréhension de leur mode de fonctionnement est donc essentielle au développement de nouvelles molécules capables de cibler spécifiquement ces récepteurs. Ces dix dernières années, les technologies de transfert d'énergie ont permis de révéler la capacité des RCPG, longtemps considérés comme monomériques, à s'organiser en dimères voire en structures oligomériques plus grandes. Toutefois, la caractérisation précise de cette stœchiométrie d'assemblage implique la mise au point de méthodes adaptées. <br />Au cours de ce travail de thèse nous avons développé une approche de FRET en temps résolu permettant de mettre en évidence, à l'aide d'anticorps marqués, des interactions de sous-unités de RCPG à la surface de cellules vivantes. En choisissant le récepteur GABAB comme modèle d'étude, cette approche a permis de révéler l'homo- et l'hétérodimérisation de ce récepteur à la surface cellulaire. De plus, en condition de perméabilisation des cellules, l'oligomérisation de la sous-unité GABAB1 retenue dans les compartiments intracellulaires a pu être caractérisée par cette même approche.<br />Afin d'analyser plus précisément l'organisation du récepteur GABAB, nous avons mis au point une deuxième méthode permettant de marquer irréversiblement à l'aide de fluorophores les sous-unités GABAB1 et GABAB2 présentes à la surface cellulaire. La combinaison de cette méthode de marquage (SNAP-tag) avec une analyse de FRET en temps résolu a permis de caractériser l'organisation oligomérique de ce récepteur. Ainsi, le récepteur GABAB, connu pour être un hétérodimère obligatoire, semble capable de former des oligomères via la sous-unité GABAB1 qui représente un point de contact entre deux hétérodimères. Le rôle d'une telle organisation sur la fonction de ce récepteur reste toutefois indéterminé.

Les cellules phagocytaires constituent la première ligne de défense contre les pathogènes. Leur migration dirigée vers le site infectieux et leurs fonctions microbicides sont l'aboutissement de voies de signalisation intracellulaires sollicitées par la stimulation de récepteurs couplés aux protéines G, les récepteurs de chimioattractants. Après fixation du ligand et transmission du signal par la protéine G, les récepteurs sont phosphorylés et interagissent avec les b-arrestines, protéines d'échafaudage concourrant à l'internalisation des récepteurs. Plusieurs exemples récents suggèrent que les b-arrestines pourraient également participer à la signalisation. <br />Le travail présenté dans ce mémoire concerne les récepteurs de la famille FPR (Formyl Peptide Receptor) et plus spécialement le récepteur FPRL1 (FPR-like 1), pour lesquels de nouveaux agonistes dérivant de protéines bactériennes ou mitochondriales humaines ont été identifiés. La phosphorylation du récepteur FPRL1 a été caractérisée. Il a été montré que les Β-arrestines interagissent avec celui-ci et qu'elles sont indispensables à son internalisation. Diverses approches ont conclu que l'activation rapide des MAP kinases ERK1/2, enclenchée par la stimulation du récepteur FPRL1, est majoritairement dépendante de la protéine G héterotrimérique et qu'il n'y pas de signalisation transmise par les b-arrestines. Enfin, une analyse protéomique des complexes multi-protéiques bâtis autour du couple FPRL1/b-arrestine a été menée par la méthode TAP (Tandem Affinity Purification). Le complexe adaptateur AP3, homologue d'AP2 a été identifié comme partenaire des b-arrestines après stimulation du récepteur FPRL1.

Depuis quelques années, le récepteur opioïdergique delta (DOPR) apparaît comme une alternative intéressante dans le traitement de la douleur puisque son utilisation est accompagnée de moins d'effets secondaires qu'avec les traitements opioïdergiques actuels, ciblant principalement le récepteur opioïdergique mu (MOPR). Par contre, les agonistes sélectifs pour DOPR n'ont que très peu d'effets chez les animaux sains en raison d'une faible expression membranaire du récepteur. Depuis quelques années, un nombre croissant d'études se sont intéressées à l'adressage de DOPR et les résultats montrent que différentes situations peuvent moduler son expression à la membrane plasmique. Mes travaux de Thèse se sont donc intéressés à la régulation de DOPR dans un contexte de traitement de la douleur. En premier lieu, nous avons montré que les agonistes sélectifs pour DOPR soulagent l'hyperalgésie thermique induite par l'inflammation et que cet effet est conservé lors d'un traitement prolongé. À l'opposé, les effets antinociceptifs et moteurs de la deltorphine sont rapidement soumis à la tolérance. La dichotomie observée quant au développement de la tolérance pour les effets des agonistes DOPR suggère que des mécanismes de régulation différents s'opèrent lors de l'activation soutenue de DOPR. Dans un deuxième temps, nous avons montré que des agonistes sélectifs pour DOPR et MOPR, inhibent les comportements douloureux ainsi que l'activation neuronale (c'est-à-dire l'expression de c-fos) induits par la formaline ou la capasïcine. De plus, les agonistes DOPR et MOPR empêchent la relâche de substance P via l'inhibition des fibres afférentes primaires, ce qui confirme leur localisation sur les fibres peptidergiques. Par ailleurs, puisque les agonistes DOPR et MOPR ont des actions similaires sur la relâche de substance P, nos résultats proposent une colocalisation de DOPR et MOPR. L'ensemble de ces résultats contribuent à élargir nos connaissances sur les rôles et la régulation de DOPR dans le but d'en faire une cible thérapeutique pour le traitement de la douleur chronique.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) représentent la plus grande famille de protéines membranaires, et ils sont la cible de plus de 25% des médicaments. Ces récepteurs activent diverses voies de signalisation cellulaire via plusieurs familles de protéines G hétéro-trimériques (Gs, Gq, Gi/o et G12/13). Etant donné qu’un RCPG peut activer différentes protéines G, il est important de comprendre comment des ligands favorisent l’activation de certaines protéines G au détriment des autres (ligands biaisés). L’objectif de mon travail a été de développer de nouveaux tests pour l’étude des protéines G qui soient spécifiques d’une famille voire même de certains sous-types de protéines. / G protein-coupled receptors (GPCRs) represent the main family of membrane proteins, and they are the target of more than 25% of drugs in the market. These receptors activate various signaling pathways through different families of heterotrimeric G proteins (Gs, Gq, Gi/o et G12/13). Since a given GPCR can activate several G proteins, it is important to understand how ligands favor the activation of some of these G proteins (biased ligands). The objective of my thesis was to develop assays to study most G protein subtypes.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont des protéines membranaires impliquées dans la communication entre cellules via des messagers circulants (hormones, neurotransmetteurs) ainsi que dans la perception de notre environnement (vision, odorat, goût). Ils sont essentiels à de nombreuses fonctions physiologiques vitales (cardiaques,respiratoires...) et comportementales (relations sociales et affectives) et sont donc une cible thérapeutique de choix pour la découverte de nouveaux médicaments.Au sein de l'équipe Canaux, de l’Institut de Biologie Structurale, un biocapteur original a été créé se basant sur la fusion de ces RCPG avec un canal ionique (Kir6.2) appelé Ion Channel-Coupled Receptor (ICCR). Les changements conformationnels du récepteur induit par son activité (fixation de ligand, activation des protéines G) sonttraduits par le canal ionique en courant électrique aisément détectable par des techniques électrophysiologiques. Cette nouvelle génération de biocapteurs permet d'étudier en temps réel l’activité des RCPG par des techniques électrophysiologiques très sensibles.Le travail de thèse s’est principalement focalisé sur l’étude du récepteur de l’ocytocine (OXTR) impliqué dans l’accouchement, l’allaitement et le lien social. La technologie ICCR a été utilisée pour trois des projets de cette thèse. Le premier avait pour but l’étude des mécanismes moléculaires de la dépendance au cholestérol du récepteur del’ocytocine, et a ainsi permis d’identifier un nouveau mécanisme de régulation allostérique entre le cholestérol et la fixation des ligands. Un second projet a porté sur l’utilisation de ce biocapteur pour identifier de nouveaux types de ligands, plus spécifiques de certaines voies intracellulaires, appelés ligands biaisés. Enfin, un troisième projet a mis en relief l’effet de certains composés environnementaux sur les RCPG et a permis de mettre en avant de nouveaux récepteurs ciblés par ce type de composés.Pour terminer, un projet parallèle s’est porté sur l'étude de la formation de pores par des protéines bactériennes dépendantes des RCPG. Il s’agit des « pore-forming toxins » (PFTs) de la famille des hémolysines gamma, produitespar un des pathogènes humains les plus virulents, Staphylococcus aureus. Certaines de ces toxines sont capables de sefixer sur des RCPG très spécifiques, les récepteurs aux chimiokines, et ont donc un rôle important dans les infections virales et dans certaines pathologies cancéreuses. Les travaux ont notamment permis d’obtenir des informations nouvelles sur le mécanisme d’insertion de ces pores dans la membrane. / G protein-coupled receptors (GPCRs) are membrane proteins involved in communication between cells via circulatingmessengers (hormones, neurotransmitters) as well as in the perception of the environment (vision, smell, taste). Theyare essential for many physiological functions (cardiac, respiratory...) and behavioral (social and emotional responses)and therefore represent interesting therapeutic targets.Within the Channels team, at the Institute of Structural Biology, an original biosensor was created, based onthe fusion of a GPCR to an ion channel (Kir6.2), called an Ion Channel-Coupled Receptor (ICCR). Conformationalchanges of the receptor induced by its activity (ligand binding, activation of G proteins) are directly transmitted to theion channel and allow the generation of an electrical signal easily detectable by electrophysiological techniques. Thesenew biosensors are powerful tools to study GPCR activity in real time.The main focus of the thesis was the study of the oxytocin receptor (OXTR), involved in childbirth,breastfeeding and social bonding. ICCR technology has been used for three projects during the thesis. The first aimedat studying the molecular mechanisms of cholesterol dependency of the oxytocin receptor and allowed theidentification of a new allosteric regulation mechanism between cholesterol and the ligand binding. A second projectfocused on the use of this biosensor to identify new types of ligands, selective to certain intracellular pathways, calledbiased ligands. Finally, a third project highlighted the effect of certain compounds, known as endocrine disruptors, onGPCRs. Endocrine disruptors are environmental pollutants which have potentially harmful effects on human health.Finally, a parallel project was dedicated to the study of pore formation by GPCR-dependent bacterial toxins.These proteins are called pore-forming toxins (PFTs), from the gamma hemolysin family and are produced by one ofthe most virulent human pathogens Staphylococcus aureus. Some of these toxins are able to bind very specifically tocertain GPCRs, members of the chemokine receptor family. They therefore play a vital role in numerous viralinfections and in some cancerous pathologies. New information concerning the mechanism of membrane insertion ofthese toxins during pore formation was discovered during this work.

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

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

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les petites protéines G de la famille Rhô jouent un rôle primordial dans l'organisation de la morphologie cellulaire qu'elles accordent aux besoins de la cellule. Elles constituent également une voie importante de signalisation vers le noyau, participent à la régulation du cycle cellulaire et sont impliquées lors du phénomène apoptotique. Ces protéines oscillent entre un état inactif lié au G DP et un état actif lié au GTP. Le passage de l'un à l'autre est assisté par des protéines stimulant (GDS) ou inhibant (GDI) l'activité d'échange des nucléotides et par des protéines stimulant leur activité GTPasique (GAP) intrinsèquement faible. Ce cycle d'activation s'accompagne d'un cycle de localisation, les protéines Rhô étant actives à la membrane et inactives dans la fraction soluble. La protéine GDI, elle-même cytosolique, sert de navette aux protéines Rhô lors de leur transit cytoplasmique. Nous avons caractérisé l'activité de solubilisation des protéines Rhô par la protéine de fusion GST-GDI in vitro, utilisant comme modèle les membranes à bordure en brosse rénales. Deux petites protéines G de ta famille Rhô, RhoA et Cdc42, sont spécifiquement extraites en présence de GST-GDI. Cette activité d'extraction est cependant saturable. Une fraction importante (près de 50%) des protéines RhoA et Cdc42 ne peut être extraite suggérant la présence de sous-populations membranaires. L'activité de solubilisation des protéines Rhô par GST-GDI s'est avérée sensible à la force ionique et est complètement inhibée en conditions physiologiques de température et de sel. La présence de set n'empêche pas la liaison des protéines Rhô à GST-GDI puisque les complexes GST-GDI/Rho coprécipitent sur billes de glutathion-sépharose, en milieu de force ionique physiologique. D'autre part, un prélavage des membranes avec une solution saline inhibe l'extraction subséquente des Rhô par GDI, suggérant fortement qu'un facteur essentiel soit inhibé ou perdu lors du traitement. Ces faits suggèrent que la translocation des protéines Rhô par GDI soit normalement inhibée in vivo et nous amènent à proposer un modèle de régulation de leur cycle d'activation. Nos travaux ont également mis en évidence une protéolyse de GSTGDI au cours des essais d'extraction en présence de membranes à bordure en brosse rénales. Le phénomène est observé en présence de quelques autres tissus et dans tous les cas, un fragment protéolytique majeur de 17 kDa est généré, révélant la présence d'une zone de vulnérabilité protéotytique sur GDI. Le fragment ne peut extraire les Rhô des membranes, suggérant que l'activité GDI puisse être régulée par protéolyse. L'intégrité de GST-GDI est préservée en présence de Ac-YVAD-CHO, un inhibiteur spécifique de caspases. Le séquençage du fragment généré a cependant révélé que le site de coupure sur GST-GDI ne correspond pas à un site d'activité caspase. Ces faits suggèrent que l'activité des protéines Rhô puisse être régulée par une cascade protéolytique incluant une caspase endogène à la membrane à bordure en brosse rénale. D'autre part, notre étude de la stimulation par le GTPyS d'une activité de carboxyméthylation des protéines du rein a démontré que l'activité stimulée implique une isoaspartyle métyltransférase (PIMT). Cette enzyme catalyse le transfert de groupements méthyles provenant du S-adénosyl-Lméthionine, vers la fonction carboxylique portée par la chaîne latérale de résidus isoaspartyles. La PIMT est réputée participer à la réparation de protéines endommagées issues de modifications spontanées de résidus asparagines et aspartates. L'effet stimulateur du GTPyS sur l'activité PIMT est modulé par le vanadate et complètement inhibé par la génistéine et le tyrphostin. L'analyse des profils de méthylation sur gel révèle des modes d'action différents. La génistéine prévient l'accroissement du rythme des cycles de méthylation/déméthylation sur l'ensemble des substrats tel qu'observé habituellement en présence de GTPyS, tandis que le tyrphostin agit plutôt en bloquant une étape de déméthylation. Les résultats obtenus en présence de vanadate et de génistéine suggèrent fortement l'implication d'une activité tyrosine kinase lors de la stimulation de l'activité PIMT par le GTPyS au niveau du rein.