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.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) peuvent activer des voies de signalisation indépendantes des protéines G. Cependant, la régulation de ces voies, et en particulier leur désensibilisation, est peu connue. Le récepteur de la sérotonine de type 4 (R-5-HT4) est un RCPG exprimé dans le cerveau et les organes périphériques. Il est impliqué dans des fonctions physiologiques importantes comme la mémoire, l'apprentissage, la prise de nourriture, le contrôle respiratoire et la mobilité gastro-intestinale. Le R-5-HT4 est couplé à la protéine Gs. De plus, il active la voie Src/ERK1/2, indépendamment des protéines G et des β-arrestines.Nous avons montré que GRK5, physiquement associé à la région C-terminale (C-ter) du R-5-HT4 inhibait la voie Src/ERK1/2 couplée au récepteur, mais pas la voie Gs. Ce résultat a été observé dans la lignée de cellules HEK-293 mais aussi dans des neurones de collicules en culture. Cette inhibition nécessite deux séquences d'évènements : l'association de la β-arrestine1 à une région riche en sérines et thréonines, localisée dans le domaine C-ter du récepteur et la phosphorylation par GRK5, de la β-arrestine1 (en sérine 412) liée au récepteur. La β-arrestine1 phosphorylée empêche l'activation de Src, constitutivement liée au récepteur, nécessaire à l'activation d'ERK1/2. Ceci constitue la première démonstration que la phosphorylation d'une β-arrestine par une GRK régule la signalisation indépendante des protéines G. En plus de ces résultats, nous avons démontré que l'activation d'ERK1/2 par le R-5-HT4, indépendante des β-arrestines, implique la libération d'un ligand induite par une métalloprotéase, conduisant à la transactivation d'un autre récepteur. Par une approche protéomique, nous avons également identifiés plusieurs partenaires potentiels du R-5-HT4. L'étude de ces partenaires pourrait apporter un éclairage supplémentaire sur les voies de signalisation du récepteur et leur régulation. / G protein-coupled receptors (GPCRs) have been found to trigger G protein-independent signalling. However, the regulation of G protein-independent pathways, especially their desensitization, is poorly characterized.The 5-Hydroxytryptamine 4 receptor (5-HT4R) is a GPCR widely expressed in the brain and at the periphery. It is implicated in important physiological functions such as memory, cognition, feeding, respiratory control and gastrointestinal motility. 5-HT4R couples to the Gs/cAMP/PKA pathway. Moreover, this receptor can activate a Src/ERK pathway independently of both G proteins and β-arrestins.Here, we show that the G protein-independent 5-HT4R-operated Src/ERK pathway, but not the Gs pathway, is inhibited by GPCR kinase 5 (GRK5), physically associated with the proximal region of receptor C-terminus, in both HEK-293 cells and colliculi neurons. This inhibition requires two sequences of events: the association of β-arrestin1 to a phosphorylated serine/threonine cluster located within the receptor C-terminal domain and the phosphorylation by GRK5 of β-arrestin1 (at Ser 412) bound to the receptor. Phosphorylated β-arrestin1 prevents in turn activation of Src constitutively bound to 5-HT4R, a necessary step in receptor-stimulated ERK signalling. This is the first demonstration that β-arrestin phosphorylation by a GRK regulates G protein-independent signalling.In addition to these results, we also demonstrated that the β-arrestin-independent activation of ERK1/2 by the 5-HT4R involves a metalloprotease-dependant ectodomain shedding and transactivation of another receptor. By a proteomic approach, we also identified several potential partners of the 5-HT4R. Study of these proteins may provide a better understanding of 5-HT4R signalling and his regulation.

L’étude de l’assemblage et de l’acheminement à la membrane plasmique des complexes de signalisation des RCPGs va jouer un rôle crucial dans le développement de nouveaux médicaments ayant moins d’effets secondaires. Des outils permettant l’étude de ces phénomènes existent déjà, mais un outil polyvalent qui permettrait d’étudier plusieurs aspects pourrait grandement faciliter et accélérer ces études. L’étiquette SNAP est un candidat intéressant puisqu’avec cette étiquette il est possible de marquer une seule construction avec une variété de différents substrats. Une construction encodant pour le récepteur β2AR avec une étiquette SNAP à son extrémité C-terminale a été ingénérée. Cette construction est apte à lier son ligand, à être acheminée à la membrane plasmique et à homodimériser. La protéine exprimée a été marquée avec le fluorophore BG-430. De la fluorescence non spécifique a été détectée dans la cellule (même en absence de l’étiquette SNAP sur le récepteur). Un essai BRET a été développé, utilisant la construction HA-β2AR-SNAP en tant qu’accepteur et est fonctionnel. L’étiquette SNAP, comme utilisée ici, ne présente pas un aussi bon candidat qu’attendu, puisque le substrat n’ayant pas réagi demeure coincé dans la cellule. Le facteur activateur de plaquette (PAF) et son récepteur (PAFR) jouent un rôle critique dans plusieurs réponses inflammatoires et le récepteur FP est impliqué dans l’accouchement prématuré. Une meilleure compréhension des complexes de signalisation associés à ces récepteurs pourrait être la première étape dans la compréhension de leur signalisation dans des situations normales ou de maladies. Des expériences de BRET étudiant des interactions de bases entre les récepteurs et leurs partenaires d’interactions connus ont été réalisées. Elles ont permis de déterminer que : les récepteurs PAF et FP homodimérisent, que les récepteurs PAF et FP hétérodimérisent, que les protéines Gβγ interagissent de manière constitutive avec ces récepteurs et qu’aucun signal de BRET n’a été détecté avec la protéine Gα et ce, en présence ou en absence de stimulation par un agoniste (suggérant qu’il est nécessaire d’optimiser le système présentement utilisé). / Studies of the assembly and plasma membrane trafficking of G protein-coupled receptor (GPCR) signalling complexes will play an important role in the development of new drugs with fewer side effects. Tools for this purpose have already been developed, but a more versatile tool which would allow assessment of multiple aspects of GPCR trafficking and protein/protein interaction could greatly facilitate and expedite these studies. The SNAP tag is without doubt an interesting candidate for this task. Using this tag, it is possible to label one receptor construct, with a variety of different substrates. A construct encoding the β2AR receptor was engineered with a C-terminal SNAP tag. This construct, when expressed in HEK 293 cells, was able to bind ligand, to traffic to the plasma membrane and to form homodimers. The expressed protein was then labelled with the BG-430 fluorophore. Non-specific fluorescence was detected in the cell, even in the absence of the SNAP tag. A BRET assay was developed using the HA-β2AR-SNAP as a BRET acceptor. The SNAP tag as used in this initial study was not as good as thought previously because uneacted substrate remains trapped in cells (i.e. the background was too high). Platelet-activating factor (PAF) and its receptor (PAF-R) play a critical role in many inflammatory responses and the receptor for prostaglandin F (FP) plays a role in pre-term labour. A better understanding of signalling complexes associated with these receptors might be the first step in a better understanding of their signalling in health and disease. As an initial step in this direction, we used BRET to study basic interactions between these receptors and known signalling partners. PAF-R and FP receptors homodimerize. A heterodimer between the FP and PAF receptors was also detected. Gβγ subunits interact with these receptors in a constitutive way. In the case of the Gα, no BRET signal was detected with or without agonist stimulation suggesting more work is required to optimize the system.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés. / G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) show a greater role in activating mechanism usually associated to transcription factors or cell adhesion molecules. New evidence shows that some of these receptors have an impact on axon guidance, the mechanism by which neurons’ axons are able to grow from their origin and reach their anatomical target. Guidance is mediated via a structure at the tip of the axon called the growth cone, which can interact with surrounding molecules. Axons from retinal ganglion cells (RCGs) navigating from the retina to the cerebral nuclei associated with vision, are sensitive to some of the GPCR ligands. These GPCRs are the cannabinoid receptors CB1 and CB2 and the GPR55, a receptor for lysophosphatidylinositol. GPR91 and GPR99, respectively receptors for succinate and α-ketoglutarate, are expressed in RGCs making them prime candidates to have an impact on axon guidance. In this thesis, we will test the role of GPR91 and GPR99 ligands on RCG axon growth and guidance. To assess the impact of these receptors and their ligands on axon growth and guidance, first we evaluated their effects on growth cone morphology. To achieve this, we measured growth cone size and filopodia numbers, when exposed to 100 µM of succinate or 200µM of α-ketoglutarate. The effects of these ligands on axon growth were evaluated by measuring the total axon outgrowth from retinal explants. The role of GPR91 and GPR99 on growth cone turning, was determined by exposing a growing axon to a gradient of these ligands, originating from a micropipette situated 100 µm and 45° from the growth cone. The expression of these receptors in the retina was evaluated using immunohistochemistry. Results showed that the addition of 100 µM succinate induced an increase in both growth cone size and filopodia number. It also increased total axon growth. α-ketoglutarate, at a concentration of 200 µM, produced similar results. Noteworthy, both ligands had no effect on growth cone turning. In brief, these results indicate that GPR91 and GPR99 agonists induce an increase in RGC growth when present during development. They, however, have no effects on RGC growth cone turning. These new data provide a better understanding of the mechanisms controlling RGC development.

Bien que la régulation des canaux calciques par les récepteurs couplés aux protéines G soit connue depuis une trentaine d'année, ce n'est que récemment qu'il a été découvert que ce phénomène pouvait passer par une interaction directe entre ces deux partenaires. Les RCPGs sont les senseurs d'un grand nombre de paramètres (des simples photons aux molécules odorantes en passant par des hormones, acides aminés et nucléotides) et ils contrôlent un grand nombre de processus cellulaires en fonction de ces différents stimuli, ce qui en fait une cible thérapeutique majeure. Une de leurs cibles est l'activité des canaux calciques voltage dépendants qui est responsable d'un grand nombre de processus tels que le contrôle du potentiel de membrane, le relargage de neurotransmetteurs, la contraction musculaire ou, bien sûr, le contrôle du taux de calcium intracellulaire qui est lui-même un second messager impliqué dans de nombreuses voies de régulations.Il nous a donc paru intéressant de se pencher plus en avant sur ces interactions et de trouver une méthode nous permettant de cribler ces interactions potentielles avec des RCPG ciblés pouvant intervenir dans une thématique de contrôle de la douleur. Pour cela nous avons développé une stratégie de FRET en temps résolu utilisant les cryptates de terres rares à déactivation lente couplés aux ligands du tag SNAP comme donneurs de fluorescence, les canaux calciques étudiées étant fusionnés avec cet épitope et l'eGFP fusionnée aux RCPGs en tant qu'accepteur. Ce test nous a permis de confirmer l'interaction entre CaV2.2 et ORL1 le récepteur de la nociceptine. Nous avons ensuite cherché à caractériser plus précisément cette interaction et nous avons déterminé quelles en étaient les séquences peptidiques responsables au sein des domaines C-terminaux de ces deux protéines grâce à des expériences de GST-pull down. Nous avons synthétisé un peptide reproduisant la séquence d'interaction d'ORL1 que nous avons couplé à la séquence TAT, le rendant ainsi capable de pénétrer les membranes cellulaires. Lorsque nous ajoutons ce peptide leurre dans les expériences de TR-FRET, l'augmentation de fluorescence observée en présence de CaV2.2-SNAP et ORL1-GFP disparait totalement alors que l'ajout d'un peptide contrôle composé des mêmes acides aminés mais présentés dans le désordre n'a aucun effet. Nous avons ensuite cherché à étudier les effets de ce peptide in vivo lors d'un protocole de tolérance à la morphine étant donné que les souris K.O. pour le gène d'ORL1 sont résistantes à l'apparition de cette tolérance. Cette stratégie de découplage CaV2.2 :: ORL1 abolit complètement le phénomène de tolérance aux effets analgésiques de la morphine par une action au niveau spinal. Ce travail peut conduire à l'utilisation d'une telle approche dans une perspective thérapeutique visant à améliorer l'utilisation de morphiniques lors du traitement des douleurs chroniques. / The regulation of the calcium channels by GPCRs has been known for almost thirty years but the direction interaction between those two proteins is a recent breakthrough. GPCRs are sensors for a great number of parameters (photons, smell molecules, hormones, amino acids, nucleotides…) and they control numerous cellular functions according to those parameters making them a major target for pharmacology. One of the GPCR's targets is the calcium channel activity which is responsible for a great number of cellular processes like control of the membrane potential, neurotransmitters or hormonal secretion, muscular contraction and, of course, control of the intracellular calcium level which is a second messenger of numerous cell-regulation pathways.It appears to us that it would be interesting to study more closely those interactions and find a way to screen the GPCR/calcium channels interactions that may occur in pain regulation. We developed a strategy of time resolved FRET, using rare earth cryptate coupled to the ligand of the SNAP tag which is fused to the calcium channel as fluorescence donor and eGFP fused GRPRs as acceptors. That test confirmed the interaction between CaV2.2 and ORL1, the nociceptin receptor. We characterized more precisely the peptide sequence of the carboxy-terminal domain of the two proteins which is responsible for the interaction using GST-pull down experiments. We synthesized a peptide reproducing the ORL1 interaction sequence coupled to the TAT sequence allowing to go through the cell membranes. When we add this decoy peptide to ours TR-FRET experiments we lose all the increase of fluorescence that we see in presence of CaV2.2-SNAP and ORL1-GFP but the adding of a control peptide made of the same peptides but scrambled didn't affect the experiment. Then we look for the effects of this peptide in vivo, during a morphine tolerance protocol as it was reported that the ORL1 knock-out mice were insensitive to this phenomenon. This strategy of uncoupling CaV2.2 and ORL1 leads to a complete suppression of the tolerance to the analgesic effects of the morphine by an action at the spinal level. This work could lead to a therapeutic use of this approach which could enhance the use of morphinic compounds in treatment of chronics pains.

La vasopressine (AVP) et la corticolibérine (CRF) agissent de manière synergique lors de la réponse aux stimuli stressants. Elles régulent de manière concertée la sécrétion d'adrénocorticotrophine hypophysaire et la libération de catécholamines surrénalienne. Dans ces deux structures, les isoformes de récepteurs présents sont les récepteurs V1B et CRF1. Nous avons démontré que deux mécanismes moléculaires sous-tendent la synergie fonctionnelle de l'AVP et du CRF : un croisement des voies de seconds messagers propres à chacun des récepteurs d'une part, et une modification de leurs propriétés pharmacologiques résultant de leur interaction (hétérodimérisation) d'autre part. Pour valider ce dernier mécanisme, nous avons recherché des formes naturelles ou mutées de récepteurs à l'AVP et au CRF conservant leurs propriétés de couplage aux protéines G, mais incapables d'hétérodimériser, et avons analysé les conséquences de cette rupture d'hétérodimérisation sur leur aptitude à agir en synergie. Grâce à une approche de mutagénèse dirigée, nous avons commencé à résoudre la question des portions de récepteurs engagées dans l'hétérodimérisation. Les résultats obtenus apportent les premières évidences permettant de comprendre la synergie AVP/CRF au niveau moléculaire, et particulièrement le rôle de l'hétérodimérisation. L'hétérodimère V1B/CRF1 pourrait être impliqué dans le stress et ses états pathologiques que sont l'anxiété et la dépression. Nous montrons que les récepteurs V1B et CRF1 sont co-exprimés dans les neurones de certaines structures cérébrales régulant ces phénomènes comportementaux. Démontrer l'existence de l'hétérodimère V1B/CRF1 dans des tissus natifs sera la prochaine étape de ce travail. Si elle est validée, le complexe V1B/CRF1 pourra être considéré comme une cible pharmacologique de première importance dans le traitement de l'anxiété et de la dépression. Travail soutenu par l'Institut de Recherches SERVIER et la Fondation pour la Recherche Médicale. / Vasopressin (AVP) and Corticotropin-Releasing Factor (CRF) are involved in the stress response, mainly by regulating ACTH secretion from the pituitary and by increasing catecholamine and corticosteroids secretion from the adrenal medulla. In these two structures, AVP and CRF have been shown to act in synergism via V1B and CRF1 receptors. Recently, our group demonstrated that such synergism operates via both second messenger crosstalk and putative mechanism involving receptors heterodimerization. To further validate this last original mechanism, we monitored the influence of receptor heterodimerization selectivity and of receptor heterodimerization disruption on functional synergism. We also deciphered receptor dimers interface by synthesizing receptor mutants that do not heterodimerize anymore.These results give clues to the comprehension of AVP/CRF synergism at the molecular level and trigger the potential role of receptors heterodimerization in stress-related behaviours. Indeed both V1B and CRF1 are also co-expressed in neurons of relevant brain area. Establishing the physical association of V1B/CRF1 as heterodimers in native tissue, the next step of our project, would be of considerable importance.Work supported by SERVIER (France) an d the FRM.

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Objectifs : Les Récepteurs Couplés aux Protéines G (RCPG) constituent une grande famille ubiquitaire. Leur structure est caractérisée par sept hélices transmembranaires. Les déformations de ces hélices jouent un rôle majeur dans l’activation de ces récepteurs. La plupart de ces déformations sont liées à la présence de prolines conservées. Cependant, les prolines de l’hélice 2 et 5 des RCPG ne sont pas systématiquement présentes. De plus, la position de la proline dans l’hélice 2 est variable (2.58, 2.59 ou 2.60). Nous nous intéressons aux rôles des prolines des hélices 2 et 5 dans l’activation de deux RCPG : le récepteur de la thyrotropine (TSHR) et le récepteur 2 de la vasopressine (V2R). Méthodes : pour le TSHR et le V2R, nous concevons et caractérisons des mutants pour chaque position conservée de la proline dans l’hélice 2 et/ou 5, ainsi que des mutants sans proline. Résultats : Les mutants du TSHR n’ont pas le même comportement en termes d’expression, de glycosylation ou d’activité. La position la mieux tolérée, 2.59, nous permet de rapprocher le TSHR des récepteurs avec une proline en position 2.59 qui possèdent un renflement dans l’hélice 2. Pour l’hélice 5, les données expérimentales couplées à l’analyse des séquences et la modélisation moléculaire suggèrent une structure non renflée. Pour le V2R, le changement de position de la proline de l’hélice 2 est plus délétère que l’absence de proline dans cette hélice. La proline de l’hélice 5 est indispensable pour l’activité de ce récepteur. Conclusion : Les données obtenues sur le TSHR permettent de proposer un modèle avec une hélice 2 renflée et une hélice 5 non renflée et d’améliorer la modélisation de la cavité interne de ce récepteur, ce qui est essentiel pour le drug design. L’étude du V2R permet de proposer un modèle évolutif de ce récepteur et met en évidence sa spécificité par rapport à des récepteurs proches. / Objectives : Class A G-Protein-coupled receptors (GPCRs) constitute a large family of transmembrane receptors. Helical distortions play a major role in the overall fold and in the activation mechanism of these receptors. Most distortions are related to the presence of conserved proline residues. However, in helices TM2 and TM5, the presence of proline is not mandatory and the correlated mutation of these proline residues is observed in several GPCR sub-families. In addition, the position of the TM2 proline is variable (2.58 to 2.60). We are interested in the role of the TM2 and TM5 proline residues in the folding and activation mechanism of two GPCRs : the thyrotropin receptor (TSHR) and the vasopressin receptor type 2 (V2R). Methods : For both receptors, we engineered and characterized mutants with proline residues at different positions in TM2 and/or at position 5.50 in TM5, and without proline. Results : The expression, the glycolysation or the activity of TSHR mutants are differentially altered by changes in the proline pattern. The “best” mutant, TSHR P2.59, is consistent with a bulged structure for TM2. Experimental data in addition to sequences analysis and modeling suggest an unbulged structure for TM5. For V2R, the absence of proline in TM2 is better tolerated than ashift in the position. The TM5 proline is mandatory for the receptor activation. Conclusion : We suggest a model for TSHR with a bulged TM2 and an unbulged TM5. This should improve the modeling of the transmembrane cavity, which is fundamental for drug design. Our results on V2R suggest an evolutionary model for this receptor and enlighten its specificity compared to nearby receptors.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent l'une des plus grandes familles de gènes du génome des mammifères. Ils sont impliqués dans la plupart des processus physiologiques et physiopathologiques ce qui en a fait des cibles thérapeutiques de choix. GPR158 est un récepteur orphelin, dont on ne connaît pas de ligand, de la classe C des RCPG. Il partage 20% d'identité de séquence entre son domaine transmembranaire (TM) et celui du récepteur GABAB mais son domaine N-terminal est dépourvu du domaine Venus Flytrap (VFT), le domaine de liaison du ligand caractéristique des RCPG de la classe C, ce qui suggère que cette protéine a développé un autre mode de liaison de son ligand endogène (s'il existe). GPR158 est exprimé majoritairement au niveau du cerveau. De manière intéressante, son expression a été aussi décrite, dans des cribles à plus ou moins grande échelle, comme étant associée ou modifiée dans différentes conditions pathologiques dont 50% sont des maladies cancéreuses.À ce jour, on ne connait ni la fonction physiologique, ni les voies de signalisation de GPR158. Dans un premier temps, notre objectif était de comprendre la fonctionnalité de GPR158 en cherchant une activité constitutive de ce récepteur ou en essayant de générer des mutants, des récepteurs tronqués ou des récepteurs chimériques constitutivement actifs. Jusqu'à présent, nous n'avons pas réussi à avoir un récepteur actif, malgré les résidus des boucles intracellulaires et des domaines TM importants pour le couplage aux protéines G et pour l'activation des autres RCPG, qui sont conservés dans GPR158. Ce qui suggère que ce récepteur pourrait ne pas avoir une signalisation en lui même, et il régulerait ainsi l'activité d'autres RCPG. Dans le cas inverse, GPR158 aurait un mode de signalisation très original qui reste à découvrir. Puis nous avons cherché à comprendre le rôle physiologique lié aux trois motifs VCPWE, que nous avons identifiés au niveau du domaine C-terminal (C-ter), très long, de ce récepteur. Ces motifs sont bien conservés chez les différentes espèces et joueraient ainsi des rôles fonctionnels importants. À ce sujet, nous avons montré que le troisième motif s'associe spécifiquement avec la sous-unité Gαo, probablement activée, des protéines G. Et nous avons également identifié, un site d'interaction d'un régulateur de l'activité des protéines G, RGS7, au niveau du domaine C-ter de GPR158, en amont des motifs. Vu que Gαo est le substrat de RGS7, nous suggérons que Gαo lierait en même temps le domaine RGS de la protéine RGS7, et ils formeraient ainsi avec GPR158 un complexe de régulation de l'activité du récepteur orphelin ainsi que d'autres RCPG présents dans le nano-environnement de GPR158. Enfin, afin de mieux comprendre la fonction et les possibles voies de signalisation de GPR158, une analyse protéomique des complexes multi-protéiques bâtis autour du domaine C-ter de GPR158, a été menée. Après purification du récepteur orphelin et des protéines associées par immunoprécipitation, l'identification par spectrométrie de masse des protéines présentes a permis d'identifier 6 nouveaux partenaires potentiels. Parmi eux, quatre protéines, p53, PPM1G, Sgt1 et SIRT1, sont des régulateurs du facteur de transcription suppresseur de tumeur p53, et deux protéines, SIRT1 et TRIM58, sont impliquées dans le processus de vieillissement cellulaire. Par conséquent, une implication dans la transcription, la régulation du cycle cellulaire, la réparation de l'ADN, la prolifération, l'apoptose, la tumorigenèse et le vieillissement, du récepteur orphelin GPR158 peut être envisagée. / G protein-coupled receptors (GPCR) are known to form the largest family of cell communication proteins, and to participate to all functions of the body, making them high potential therapeutic targets. However, lots of these proteins are still orphan receptors, for which no ligand, neither function have been described, although some could be of very high interest, like GPR158, a class C orphan GPCR. The seven transmembrane domain (7TM) of this orphan receptor was related to class C GPCR (GPR158 and GABAB share 20% sequence identity in the TM core region) but its N-terminal domain was not homologous to the typical Venus Flytrap (VFT) known to bind the ligands in most of class C receptors. Which suggests that GPR158 has developed different ligand binding mode. GPR158 is expressed mainly in the brain. Interestingly, the expression of this receptor has been found in many cells and tissues to be potentially regulated in pathological conditions, of which 50% are cancerous diseases. We thus intended to decipher its cellular function and partners, to understand its potential physiological and physiopathological roles. Initially, our goal was to determine the functionality of GPR158, and the possible signaling and cellular mechanisms it was involved in, by looking for some constitutive activity for this orphan GPCR, in the absensce of any ligand. Curiously, we could not detect any G protein coupling, like constitutive G protein stimulation by overexpression of wild type, mutated, truncated and chimeric receptors. This despite the residues of intracellular loops and TM domain, important for the G protein coupling and for the activation of other GPCR, which are conserved in GPR158. This suggests that GPR158 in itself might not have a signalization, and thus it would regulate the activity of other GPCR. Alternatively, GPR158 would have an original way of signaling to be discovered with more sophisticated techniques.Then, we tried to understand the role of three VCPWE specific motifs that we have identified at the long C-terminal (C-ter) domain of GPR158. These motifs are well conserved among different species and thus would play important functional roles. Therefore, we have shown that the third motif indeed binds G protein alpha o subunit, likely in active state. Interestingly, we have also shown that RGS7 that deactivated alpha o, interacts constitutively with the C-terminal domain of GPR158 upstream of VCPWE motifs. Thus, RGS7 would regulate the alpha subunit association with GPR158. Hence, GPR158 would act as a signaling regulatory platform, controlling G protein pathways by binding active alpha subunit and RGS7. This would be of great importance as a local signaling regulatory mechanism. Finally, to better understand the function and possible signaling pathways of GPR158, a proteomic analysis of multi-protein complexes built around the C-ter domain of GPR158, was conducted. After purification of the orphan receptor and its associated proteins by immunoprecipitation, the identification by mass spectrometry of GPR158 interacting proteins led to the identification of six potential new partners. Among them, four proteins, p53, PPM1G, SGT1 and SIRT1, are regulators of the p53 tumor suppressor protein widely known for its role as a transcription factor that regulates the expression of stress response genes, and two proteins, SIRT1 and TRIM58 are involved in cellular aging process. Therefore, GPR158 could be involved in transcription, cell cycle regulation, DNA repair, proliferation, apoptosis, tumorigenesis and cell aging.