L'objectif principal de ma thèse était de développer de nouvelles technologies et des outils pour l’étude de l’activation des récepteurs couplés aux protéines G (GPCR).À la surface de la cellule se trouve une multitude de récepteurs qui jouent un rôle critique dans la communication cellule-cellule, dont les GPCR, une famille de récepteur utilisant les protéines G intracellulaires pour transmettre leurs signaux. Le ciblage de ces récepteurs à des fins thérapeutique est innovant et très prometteur. Mais à ce jour seuls quelques médicaments ciblant les GPCR ont été mis sur le marché, en partie en raison d'un manque d'outils permettant le suivi de leur action sur les cellules natives.L’objectif de cette thèse est donc de développer des tests simples pour suivre l’activation de n’importe quel GPCR. Pour développer ce type de test, nous avons décidé d'utiliser des fragments d'anticorps appelés nanobodies. Les anticorps sont des protéines du sang produites en réponse à un antigène spécifique qui sont capable de le neutraliser. Les nanobodies correspondent au domaine variable de certains anticorps de camélidés. En raison de leur faible taille (13 kDa) et de leur site de liaison à l'antigène réduit, les nanobodies se lient souvent à des cavités et présentent une grande sensibilité aux changements de conformation de l'antigène. / The main objective of my thesis was to develop technologies and tools to study activation of G protein-coupled receptors (GPCRs).The cell surface is displaying a multitude of receptors, who play critical roles in cell-cell communication. Among them, GPCRs represent a large family relying on the use of intracellular G proteins for their signaling. Targeting these receptors for therapies is very promising and innovative. So far, only few new drugs have been put on the market, partly due to a lack of tools enabling the follow-up of their action on native cells.The aim of this thesis is thus to develop simple assays to study activation of any GPCRs. To develop this kind of test, we used antibody fragments called nanobodies. Antibodies are blood protein produced in response to and counteracting a specific antigen. Nanobodies correspond to antibody fragments derived from the variable domain of a special class of camelid antibodies. Because of their small size (13 kDa) and reduced antigen binding site, nanobodies often bind cavities and show a high sensitivity to antigen conformational changes.

Le facteur d'activation plaquettaire (PAF) est un puissant médiateur pro-inflammatoire impliqué dans des processus physiologiques et pathologiques.Le PAF exerce ses effets suite à la liaison à son récepteur, le récepteur du PAF (PAFR), qui est un récepteur à sept domaines transmembranaires et couplé aux protéines G (RCPG). La signalisation du PAFR est en partie médiée par les protéines G et implique principalement des sous-unités G[indice inférieur [alpha]i] et G[indice inférieur [alpha]q] dans plusieurs types cellulaires.Le PAFR peut également activer des effecteurs variés : des canaux ioniques, des phospholipases (PLA[indice inférieur 2], PLC, PLD), ainsi que plusieurs kinases (PKC, PI3K et MAPK). Nous avons récemment démontré que le PAFR peut activer de façon indépendante des protéines G la voie des Janus kinase (JAK) et des Signal Transducers and Activators of Transcription (STAT). JAK2, TYK2 et STAT1, 2, 3 et 5 sont ainsi activés dans la lignée cellulaire myéloïde humaine MonoMac1. Les SOCS sont une famille de protéines qui régulent négativement la signalisation des cytokines et qui ont récemment été démontrés comme impliqués dans la signalisation de certains RCPG dont le CXCR4 (récepteur de chimiokine 4 de la famille des C-X-C) et l'AT1 (récepteur de l'angiotensine II). Une stimulation au PAF induit de manière transcriptionnelle l'accumulation de l'ARNm de la protéine suppressors of cytokine signalling 3 (SOCS3) dans les monocytes humains et la lignée cellulaire MonoMac1, mais ne l'induit pas dans les cellules endothéliales de veines de cordons ombilicaux humain (HUVEC). En plus d'une augmentation de l'ARNm de SOCS3, une augmentation de la protéine SOCS3 est également observée suivant une stimulation au PAF. Premièrement, nous voulions déterminer l'importance de SOCS3 dans la signalisation du PAFR à l'aide de différentes lignées cellulaires (HEK293, COS7, MonoMac1) et diverses techniques de biologie cellulaire. Ensuite, nous désirions évaluer l'impact des différents domaines de SOCS3 dans ces fonctions par des approches de biologie moléculaire. Finalement, nous avons évalué le/s rôle/s de SOCS3 sur différents aspects fonctionnels pro-inflammatoires du PAF (Voies signalisation, adhésion cellulaires, etc.). Nous démontrons dans la présente thèse que SOCS3 module la signalisation du PAFR en plus de présenter certains aspects moléculaires entourant la relation entre le PAFR, TYK2 et SOCS3. Les présents travaux démontrent que SOCS3 peut être recruté de façon transitoire à la seconde boucle intracellulaire et la queue cytoplasmique du PAFR. Son domaine kinase inhibitory region (KIR) semble être requis pour le recrutement induit au PAFR, alors que son domaine SOCS box semble être impliqué dans le recrutement basal. Suivant une stimulation au PAF, SOCS3 est phosphorylé sur un/des résidus tyrosine. Cette modification est sous le contrôle essentiel de TYK2, alors que son mutant K930I (kinase inactive) ne le fait pas. SOCS3 joue un rôle très important dans la modulation des voies de signalisation du PAFR ainsi que sur certains effets biologiques de celui-ci. Ces actions se révèlent être également très spécifiques : SOCS3 ne module pas la voie de G[indice inférieur [alpha]q] (IP3 ), mais module la migration et également l'adhésion cellulaire induite par le PAF. SOCS3 ne module pas la phosphorylation des STAT 1, 3 et 5 induite par le PAF, mais module négativement la voie de TYK2 (activation du promoteur du PAFR) et la phosphorylation des STAT 1, 3 et 5 induite par l'OSM. SOCS3 ne module pas la voie des JNK MAPK, prolonge la voie des ERK MAPK et module négativement l'activation précoce de la voie de p38 MAPK. Enfin, SOCS3 joue un rôle de modulation négative dans la transcription induite par le PAF des promoteurs du PAFR, de l'IL-6 et de l'IL-8. En conclusion, cette thèse propose de nouveaux mécanismes par lesquels SOCS3 module certains aspects de la signalisation et effets biologiques du PAF et de son PAFR. Comme le PAF est impliqué dans plusieurs phénomènes à caractères inflammatoires, le travail présenté ici a porté son attention sur plusieurs aspects pro-inflammatoires du PAF plutôt que sur une pathologie en particulier, ce qui permettra de mieux comprendre divers aspects liant le PAFR, la kinase TYK2 et SOCS3.

De nombreuses équipes se sont intéressées aux fonctions antiangiogéniquesde PF4 (Platelet Factor 4 ou Facteur Plaquettaire 4). Ses capacités inhibitrices vis-àvisde la prolifération et de la migration des cellules endothéliales in vitro et son effetinhibiteur sur lʼangiogenèse in vivo ne sont plus à démontrer. En revanche, il existeencore de nombreuses interrogations sur les mécanismes dʼaction responsables deson activité antiangiogénique. La chimiokine PF4v1 (Platelet Factor 4 variant 1)mature ne diverge de PF4 que par trois acides aminés mais son potentielangiostatique est beaucoup plus élevé que celui de PF4. Lʼétude comparative de PF4et PF4v1 est donc susceptible de fournir des éclairages intéressants sur lesmécanismes dʼaction de lʼactivité antiangiogénique de PF4. La question se pose desavoir si la différence dʼactivité antiangiogénique entre ces deux chimiokines pourraitsʼexpliquer par des différences dʼaffinité aux GAGs (Glycoaminoglycans), à unrécepteur ou bien aux voies de transduction utilisées pour médier leurs effets ?Comme les mécanismes dʼaction de PF4v1 demeurent très largement incompris(bien que son utilisation comme agent thérapeutique antiangiogénique soit trèsprometteuse), nous avons adopté plusieurs axes de travail pour élucider lescaractéristiques spécifiques de cette chimiokine.Dans un premier temps, nous avons étudié les caractéristiques de diffusibilité etde biodisponibilité des facteurs PF4 et PF4v1. Nous avons déterminé que cesparamètres étaient liés aux affinités de PF4 et PF4v1 pour lʼhéparine et les GAGs, etnous avons identifié lʼacide aminé principalement responsable des différencesobservées.Sur le plan de lʼactivité antiangiogénique de ces deux chimiokines, nousmontrons une absence de corrélation avec lʼaffinité respective aux GAGs. Par contre,nous identifions que la liaison avec un récepteur spécifique pourrait être à lʼorigine dela différence dʼactivité antiangiogénique. Nous avons mené une étude permettant decomprendre le rôle de chaque acide aminé variant entre ces deux chimiokines dansla liaison spécifique au récepteur.Enfin, nous avons développé le premier anticorps monoclonal spécifique de laprotéine PF4v1 qui, de plus, neutralise son activité antiangiogénique. Ce nouvel outilapporte des informations sur la structure et sur lʼactivité biologique de PF4v1. Il nousa aussi permis de démontrer que la protéine PF4v1 est un nouveau biomarqueur ducancer du pancréas. Grâce à ce nouvel outil, nous avons aussi développé un dosageELISA anti-PF4v1. Dans le cadre de la recherche de nouveaux biomarqueurs pour ladétection précoce des cancers, nous pouvons envisager une utilisation de cet ELISAen collaboration avec des services cliniques. / Abstract :

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) font partie de la plus importante famille de récepteurs membranaires. Leur implication dans une grande majorité de processus physiologiques et pathologiques en fait une cible pharmaceutique de choix. Parmi les RCPG, nous avons déjà démontré que le récepteur de la neurotensine NTS2 joue un rôle important dans la régulation de la transmission de l'information nociceptive. Cependant, des études ont révélé que le récepteur NTS2 est principalement localisé dans des compartiments intracellulaires et est notamment stocké dans l'appareil de Golgi. Par conséquent, les processus de transport et de trafic du récepteur vers la membrane plasmique sont critiques pour son activation par des agonistes exogènes. Dans le but d'étudier les mécanismes qui conduisent à l’insertion du récepteur NTS2 à la surface cellulaire, nous avons procédé à un criblage en double hybride chez la levure pour identifier des protéines potentiellement impliquées dans la régulation du trafic de NTS2. Nous avons utilisé le fragment correspondant à la troisième boucle intracellulaire du récepteur NTS2 comme appât pour cribler une banque d'ADNc de cerveau de rat. Cet essai a permis d'identifier la sécrétogranine III (SCG3), une protéine de la voie de sécrétion régulée, comme partenaire d'interaction du récepteur NTS2. Pour mieux caractériser cette association, les protéines taguées HA-NTS2 et YFP-SCG3 ont été co-exprimées dans les cellules HEK-293 et immunoprécipitées. L'analyse par immunobuvardage de type Western a révélé la présence de bandes à 45 et 80 KDa, correspondant au récepteur HA-NTS2 et à la protéine YFP-SCG3 respectivement, démontrant l'interaction par la co-immunoprécipitation des protéines. Des études de microscopie confocale effectuées sur des cellules HEK-293 coexprimant CFP-NTS2 et YFP-SCG3, ont également montré que les deux protéines colocalisent à l’échelle subcellulaire. Des analyses de transfert d'énergie entre molécules fluorescentes (frT) ont été réalisées afin de confirmer l'interaction moléculaire NTS2-SCG3. Enfin, dans le but de déterminer l'impact physiologique de la régulation de l'adressage à la membrane plasmique du récepteur NTS2 par la SCG3, nous avons développé deux DsiRNA afin de réduire l'expression de SCG3. Ces DsiRNA dirigés contre SCG3 validés in vitro seront prochainement utilisés in vivo chez le rat adulte afin d'examiner leurs effets sur le rôle du récepteur NTS2 dans le contrôle de la douleur. Ainsi, nos résultats suggèrent que la SCG3 pourrait servir de protéine escorte pour NTS2 dans son adressage vers la membrane plasmique. Aussi, nos résultats renforcent l'idée que les RCPG ne sont pas seulement adressés à la surface cellulaire par la voie constitutive mais qu'ils peuvent être transportés via la voie de sécrétion régulée. Finalement, ces résultats suggèrent que l'interaction physique entre NTS2 et SCG3 pourrait affecter la fonction physiologique du récepteur NTS2, y compris son rôle dans le contrôle de la douleur.

De nombreuses études des RCPGs révèlent que leur activation n’implique pas que deux états conformationnels, l’un activé et l’autre inactivé, mais une diversité plus importante de ces états, impliquant également des états intermédiaires. Nous avons utilisé la simulation par dynamique moléculaire et l’analyse des interactions intramoléculaires non-covalentes pour étudier la plasticité structurale du récepteur CCR5 sous sa forme monomérique et dimérique. En couplant notre analyse avec diverses données expérimentales, nous avons pu proposer trois architectures dimériques du récepteur et associer des mouvements et des interactions clefs aux états conformationnels de CCR5 libre, lié à un agoniste, lié à un agoniste inverse et constitutivement activé ou inactivé par mutation d’acides aminés. Nous avons également développé une méthode d’identification des motifs d’interactions intramoléculaires transmembranaires, permettant de discriminer les états d’activations des RCPGs. / Many studies reveal that GPCR activation does not simply involve two conformational states, one activated and the other inactivated, but a variety of these states coupled to intermediate states. By using molecular dynamics simulations and analyzing non-covalent intramolecular interactions, we studied the structural plasticity of monomeric and dimeric CCR5. By coupling our analysis with various experimental data, we identified three dimeric organizations states of the receptor and associated key motions and intramolecular interactions to free CCR5, bound to an agonist, bound to an inverse agonist and constitutively activated or inactivated by mutated residues. We have also developed a method to identify intramolecular transmembrane interactions patterns, which allow the discrimination of GPCRs activation states.

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

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont réfractaires à l'application efficace des méthodes structurales pour étudier la structure 3D du complexe récepteur-ligands. Nous présentons une nouvelle méthode basée sur l'analyse de l'interaction ligand-RCPG à différentes températures avec le photomarquage par affinité exploitant des ligands contenant le photomarqueur pBenzoyl-L-phénylalanine (Bpa). Cette approche nous a permis de générer un modèle du complexe du récepteur d'angiotensine H de type 1 (hAT [indice inférieur 1] ) avec le [Sar [indice supérieur 1] , Bpa [indice supérieur 8] AngII à plus haute résolution et aussi d'identifier des différences conformationnelles entre la forme active et la forme inactive du récepteur. Notre laboratoire a démontré que la position 8 du [indice supérieur 125] I-[Sar [indice supérieur 1] , Bpa [indice supérieur 8] AngII formait un lien covalent avec le domaine transmembranaire 7 (DTM7) dans hAT [indice inférieur 1] . Le Bpa, qui a une sélectivité réactionnelle pour les méthionines (Met), était ambigue dans son rayon d'action variable. Néanmoins, cette sélectivité a permis d'élaborer l'essai de proximité aux Met (MPA). La température de photomarquage a été subséquemment identifiée comme un facteur important à contrôler dans les études de photomarquage. En étudiant ainsi les mutants Met positifs en MPA du récepteur hAT 1 , nous avons observé des changements importants lors de l'interaction ligand-récepteur en fonction de la température. A basse température, les fluctuations conformationnelles du complexe ligand-récepteur sont minimisées. Inversement, à 37 [degrés Celsius], le complexe démontre une flexibilité structurale très importante.Les analyses de ces résidus photomarqués suivis d'une digestion au CNBr'démontrent que l'accessibilité aux Met augmente proportionnellement avec la température. Ensuite, en photomarquant le mutant constitutivement actif, le N111G-hAT [indice inférieur 1] , nous pouvons comparer les différences entre une forme basale et une forme plus active du récepteur.Les résultats sont quantifiés en un ratio du marquage Met/DTMVII et ceci nous donne un indice d'accessibilité entre le ligand et le résidu muté dans hAT [indice inférieur 1] . Nous avons observé des différences thermodépendantes entre ces ratios d'accessibilités des mutants X[arrow right]Met et N111G/X[arrow right]Met. Ces ratios d'accessibilités ont été transformés en distance et insérés comme contraintes dans la modélisation moléculaire par refondu simulée. Nous voyons dans le récepteur un éloignement du haut du DTMVI, un rapprochement du DTMII et V et un petit déplacement du DTMIII lors de l'activation.Les différences dans les structures sont à la base des mécanismes d'activations d'hAT [indice inférieur 1] et des RCPGs en général.

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

La dendritogenèse et la spinogenèse sont des étapes clés du développement neuronal. Elles impliquent de nombreuses protéines jouant un rôle essentiel dans la réorganisation du cytosquelette d'actine via les RhoGTPases. Des défauts dans ces processus peuvent mener à des maladies neurodéveloppementales comme l'autisme ou la schizophrénie. Les récepteurs BAI appartiennent à la famille des RCPG d'Adhésion et ont été identifiés dans des préparations biochimiques de densités postsynaptiques. BAI1 module la RhoGTPase Rac1 via son interaction avec la protéine ELMO1. De plus, les protéines sécrétées C1q-like ont récemment été identifiées comme ligands du récepteur BAI3 in vitro et cette interaction régulerait la synaptogenèse. Nous avons émis l'hypothèse que le récepteur BAI3 pourrait réguler le développement neuronal, en particulier la dendritogenèse et la spinogenèse, en interagissant avec ELMO1. Nos travaux ont montré que BAI3 est localisé dans les dendrites, et chez les neurones matures dans les épines dendritiques. Des études morphométriques nous ont permis de montrer son rôle dans la croissance et la complexification de l'arbre dendritique des neurones in vitro. Nos données in vivo sont en accord avec un rôle du récepteur BAI3 dans la morphogenèse des cellules de Purkinje du cervelet et la mise en place de leur innervation excitatrice. Le rôle de BAI3 dans la morphogenèse dendritique semble dépendre en partie de son interaction avec ELMO1. Par ailleurs, BAI3 module l'étalement cellulaire, suggérant son implication dans la régulation des RhoGTPases. L'ensemble de nos résultats met en lumière un nouveau rôle des récepteurs BAI comme régulateurs de la dendritogenèse et de la formation des synapses, en partie via la voie de signalisation ELMO1/Rac1. Nos résultats identifient les récepteurs BAI comme de nouveaux acteurs de la morphogenèse neuronale et, au vu du lien génétique existant entre BAI3 et certains symptômes de la schizophrénie, offrent de nouvelles perspectives dans l'étude des maladies neurodéveloppementales.

Le récepteur d’angiotensine II du type 1 (AT?) est un récepteur couplé aux protéines G faisant partie de la famille des rhodopsines-like. Il participe à la régulation de plusieurs fonctions biologiques dont le contrôle de la pression artérielle, la contraction vasculaire ainsi que l’homéostasie hydro-sodée. Le récepteur h AT? est couplé de façon préférentielle à la protéine G?q/11 mais il est également connu pour induire une signalisation intracellulaire via le recrutement des ß-arrestines 1 et 2. Cet ouvrage repose alors sur la caractérisation d’une série d’analogues de l’angiotensine II dans le but d’identifier des ligands biaisés. Dans un premier temps, des études de liaison ont été réalisées afin de caractériser l’affinité de ces analogues pour le récepteur h AT?. En second lieu, la puissance signalétique de ces analogues pour l’activation de la voie de signalisation classique a été déterminée à l’aide d'un immuno-essai frT basé sur la production de l’inositol-mono phosphate (IP?), une étape de la cascade d’inositol phosphate. Aussi, un essai cellulaire de BRET a été utilisé afin d’étudier le recrutement de la ß-arrestine 2 au récepteur h AT? permettant de déterminer la puissance signalétique des différents analogues à recruter cette protéine. Cette étude a révélé que la majorité des analogues à l’étude présentaient une certaine sélectivité fonctionnelle. Plus particulièrement, elle a permis d’identifier deux analogues présentant une sélectivité fonctionnelle orthogonale; l’une stimulant seulement la voie de G?q et l’autre adressant uniquement la voie de la ß-arrestine 2. Finalement, cette étude a ouvert des pistes pour une meilleure compréhension des relations structure-activité dans un cadre de sélectivité fonctionnelle.[symboles non conformes]