Le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central. Il agit notamment sur huit récepteurs métabotropiques (mGluR) qui sont des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) responsables de la modulation de la transmission synaptique. Les mGluR constituent des cibles de choix pour le traitement de maladies neurologiques, psychiatriques et neurodégénératives comme la schizophrénie, la dépression, ou la maladie de Parkinson. Aucun médicament agissant sur les mGluR n'existe à l'heure actuelle, mais plusieurs molécules sont en phase clinique pour différentes pathologies. L'objectif principal de mon travail de thèse a été d'étudier la dynamique structurale des mGluR, pour lesquels le mécanisme moléculaire d'activation reste mal connu. Ces récepteurs forment des homodimères constitutifs, dont chaque sous-unité possède un grand domaine extracellulaire qui lie le glutamate et un domaine transmembranaire responsable de l'activation des protéines G et où se fixent des modulateurs allostériques synthétiques. Une des étapes clé de l'activation serait la réorientation relative des deux domaines extracellulaires induite par le glutamate au sein du dimère. En développant tout d'abord une stratégie de marquage orthogonale des sous-unités de mGlu par fusion avec des enzymes suicide (SNAP-/CLIP-tag) combinée à une technique de transfert d'énergie par résonance de type Förster en temps résolu (TR-FRET), nous avons montré qu'en système hétérologue, les mGluR peuvent s'associer sous forme d'hétérodimères fonctionnels. De plus, nos expériences ont révélé une spécificité d'association au sein de la famille des mGluR : les sous-unités mGlu du group I, mGlu1 et mGlu5, peuvent former des hétérodimères entre elles, mais pas avec celles du groupe II et III, qui elles peuvent toutes s'associer entre elles. Puis nous avons fait évoluer la technologie précédente pour développer le premier biosenseur conformationnel de l'activation des mGluR. Nous avons ainsi identifié sur cellules vivantes les changements conformationnels nécessaires à l'activation du récepteur, et démontré que la variation de signal de FRET entre les deux sous-unités au sein du dimère correspondant au réarrangement relatif des domaines externes est corrélée avec l'état d'activation du récepteur. Nous avons ainsi confirmé le modèle d'activation des mGluR initialement proposé à partir des premières structures cristallines des domaines extracellulaires isolés. D'autre part, ce senseur permet de discriminer facilement les agonistes partiels des agonistes complets, et permet de mieux comprendre les mécanismes allostériques régulant l'activité au sein des mGluR (notamment le mode d'action des modulateurs allostériques positifs et négatifs qui se lient dans le domaine membranaire). Cette stratégie de senseurs conformationnels a également pu être appliquée à l'étude d'autres récepteurs membranaires (RCPG et récepteurs tyrosines kinases), et au développement de tests de criblage à haut débit. Enfin, nous nous sommes attachés à développer de nouveaux types de molécules ciblant les mGluR, en utilisant des anticorps simple domaine provenant de lamas. Ces ligands qui agissent sur de nouveaux sites d'activation à la surface des mGluR, représentent de nouvelles pistes pour développer de meilleures solutions thérapeutiques. / Glutamate is the main excitatory neurotransmitter in the central nervous system. It notably acts on eight metabotropic glutamate receptors (mGluR), which are G protein coupled receptor responsible for the modulation of synaptic transmission. mGluRs are promising pharmacological targets to treat neurological, psychiatric or neurodegenerative diseases such as depression, schizophrenia or Parkinson's disease. Unfortunately, so far, no drug acting at mGluR is accessible to patients, but several molecules are in clinical trials. The main objective of my thesis has been the study of the structural dynamics of mGluR, for which the molecular mechanism allowing activation are still poorly understood. These receptors are known to form constitutive dimers, with each subunit composed of a large extracellular domain which bind glutamate and a transmembrane domain responsible for G protein activation and where synthetic allosteric modulators bind. A key step in the activation process could be the relative reorientation of the two extracellular domains in the dimer upon glutamate binding. We first developed an orthogonal labeling method of each mGlu subunits by fusion with a suicide enzyme (SNAP-/CLIP-tag) that we combined with time-resolved Förster resonance energy transfer measurements to show that in a heterologous system, mGlu subunits can associate as strict and functional heterodimers. Our experiments also revealed a specific association pattern: mGlu subunits from group I, mGlu1 and mGlu5, can associate with each other, but not with those from group II and III, which can also associate with each other. Then we improved the technology to develop the first conformational sensor to monitor mGluR activation. We were able to monitor in real time in live cells the conformational changes occurring in the mGlu receptor upon activation, and we proved that the variation in FRET signal is correlated with the activation state of the receptor. This allowed us to confirm the activation model proposed based on the crystal structures of the isolated extracellular domains, which consist of a relative movement of the dimer extracellulair domains upon activation. Moreover, this sensor makes it possible to easily discriminate between full and partial agonists, and to better understand the allosteric mechanisms occurring in the mGluR (especially the action mode of positive and negative allosteric modulators binding in the transmembrane domain). This conformational sensor strategy was further applied to study the activation of other receptors (GPCR or tyrosine kinase receptors), and to develop screening assays compatible with high-throughput formats. Finally, we developed innovative ligands acting on mGluRs using single-domain antibodies from llamas. These activating ligands seem to bind to a new site on the surface of the receptor, offering new possibilities to develop better treatment acting at mGluRs.

Le fonctionnement cérébral est régit par deux grandes forces : un système excitateur, principalement supporté par la transmission gluue,tamatergiq qui s'oppose à un système inhibiteur, principalement supporté par la transmission GABAergique. L'influence mutuelle et équilibrée de ces deux forces est déterminante pour établir et maintenir une activité neuronale physiologique au sein des réseaux neuronaux. Le récepteur métabotropique du glutamate de type 7, mGlu7, est capable de moduler à la fois la transmission glutamatergique et GABAergique, mais sa localisation et son rôle synaptique précis restent largement méconnus à l'heure actuelle. Il semble important pour contrôler le fonctionnement d'une circuiterie particulière supportant notamment la perception sensorielle lors de l'éveil ou la perte de conscience lors de l'endormissement, mais aussi les crises épileptiques d'absence lors d'un dysfonctionnement : le circuit thalamo-cortical. Cette thèse porte sur l'étude des fonctions physiologiques médiées par le récepteur mGlu7a au sein du réseau thalamo-cortical chez la souris. Pour cela, j'ai décortiqué la localisation et les processus électrophysiologiques engendrés par le récepteur dans les synapses thalamiques constituant la circuiterie thalamo-corticale. Le récepteur mGlu7a s'estavéré essentiel dans le contrôle des rythmes oscillatoires au sein du thalamus, associés à la fois au sommeil (les fuseaux de sommeil) et aux épilepsies de type absence.Ce récepteur était présumé ne fonctionner que lors d'activités neuronales intenses. Cette étude complète ce tableau. Elle met en évidence une activité constitutive du récepteur mGlu7a au sein des synapses excitatrices et inhibitrices. Il exerce donc un frein permanent sur l’entrée de Ca2+ dans les présynapses, un acteur crucial pour le développement du système nerveux, la transmission synaptique, l'excitabilité et la plasticité neuronales. Je montre que cette activitémodule la libération de glutamate et de GABA, mais aussi la plasticité à court terme dans certaines synapses du circuit. De plus, le récepteur mGlu7a limite le tonus inhibiteur au sein du thalamus et ainsi l'excitabilité globale thalamique.De façon surprenante pour un récepteur du glutamate, l'ensemble de ces résultats suggère une action physiologique du récepteur mGlu7a particulièrement impliquée dans le contrôle de l'état d'excitabilité des neurones GABAergiques thalamiques et corticaux. En limitant l'apparition d'activités synchrones au sein de la circuiterie, son action abouti in fine au maintien d'un état conscient de l'individu, nécessaire aux traitements des informations sensorielles, mais aussi à l'apprentissage et la mémoire. / Brain functionning is gouverned by two master forces : excitation, mainly supported by glutamatergic transmission, and inhibition, mainly supported by GABAergic transmission. The mutual and balanced influence of these two forces is instrumental to establish and maintain a physiological neuronal activity, particulary in neuronal networks involving several interconnected brain area and neuron types. The metabotropic glutamate receptor type 7, mGlu7, modulates both glutamatergic and GABAergic transmission, but its precise localization andsynaptic role are still widly unknown. Recently, a genetic mouse model has highlighted mGlu7a receptor's involvement into the functionning of a particular network supporting somatosensory perception during arousal and loss of consciousness during sleep, as well as absence epileptic seizures : the thalamo-cortical network. This thesis aims at understanding physiological functions mediated by the mGlu7a receptor in the thalamo-cortical circuit. I have dissected localization and electrophysiologicalprocesses triggered by the receptor in thalamic synapses. The mGlu7a receptor was proved as essential to control oscillatory rythmes in the thalamus, associated with both sleep-related waves (spindles) and absence epileptic seizures.This receptor was supposed to function only during high neuronal activities. In addition, our study highlights a constitutive activity of mGlu7a receptor in excitatory and inhibitory synapses. It thus exerts a permanent brake on Ca2+ presynaptic entry, which is crucial for neuronal developpement, synaptic transmission, excitability and plasticity. I found that this mechanism modulates glutamate and GABA release, but also short term plasticity in thestudied network. Moreover, mGlu7a receptor slows down the inhibitory tonus in the thalamus and thalamic excitability.Surprisingly for a glutamate receptor, these data suggest that the physiological action of mGlu7a receptor is highly involved in the control of the excitability of inhibitory thalamic and cortical neurons. By decreasing synchronous activities of the network, its action leads in fine to the maintenance of a conscious, awake state of a subject, that is necessary for sensorial informations processing, learning and memory.