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Les récepteurs métabotropiques au glutamate (mGluR), qui appartiennent à la classe C des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), sont bien connus pour leurs rôles importants dans les troubles neurologiques et psychiatriques. La compréhension de leur mécanisme d’activation est essentielle pour la mise au point de nouveaux agents thérapeutiques. Récemment, le nombre de structures de RCPG cristallisées a augmenté de façon exponentielle grâce à l'application des méthodes de stabilisation de la protéine. Cependant, certaines ambiguïtés et incohérences ont été révélées au cours des études cristallographiques. En outre, des études en molécules uniques, y compris par transfert d'énergie d’excitation électronique de Förster (smFRET), ont montré la nature très dynamique des RCPG en général, et du domaine d’activation de mGluR en particulier. Ici, nous nous sommes intéressés au mécanisme d'activation des mGluR entiers en utilisant des techniques de FRET d’ensemble et sur molécules uniques. Les techniques de HTRF ont permis l’optimisation de la préparation des échantillons. Un protocole a été mis au point, permettant d'extraire les mGlu2 entiers dans du détergent, à partir de cellules HEK293T, sans affecter de manière importante la pharmacologie et de la stabilité des récepteurs. Les expériences de FRET en molécules uniques ont été effectuées avec la technique MFD-PIE. Une analyse poussée de ces données, par mesure de l'efficacité de FRET ratiométrique, de durée de vie des fluorophores dans l’état excité, et d’analyse en corrélation (FCS), ont permis de montrer un changement conformationel rapide (sub-milliseconde) des récepteurs mGlu2 entiers. Par ailleurs, le rôle de stabilisation du domaine transmembranaire en faveur de l’état actif a été prouvé. / Metabotropic glutamate receptors (mGluR), which belong to class C of G protein-coupled receptors (GPCR), are well-known for their important roles in neurological and psychiatric disorders. Understanding of receptor activation is essential to decipher the receptor functioning, and thus orientate drugs design for targeted therapeutics. Recently, the number of GPCR crystal structures has increased exponentially thanks to the application of protein stabilization methods. However, these crystallography studies have revealed certain ambiguities and discrepancies, and these approaches do not take into account the dynamic nature of GPCR activation. Indeed, single-molecule studies, including single-molecule FRET (smFRET), have revealed the highly dynamic nature of GPCR in general, and fast conformational changes of mGluR domains in particular. Here, we study the activation mechanism of the full-length mGluR by FRET techniques at ensemble and single-molecule level. Homogenous time-resolved fluorescence (HTRF) was applied for optimizing the sample preparation. An appropriate protocol was established, allowing to extract mGlu2 full-length in detergent from the HEK293T cells without significantly affecting its pharmacology and stability. smFRET experiments were performed using the combination of multiparameter fluorescence detection (MFD) with pulsed interleaved excitation (PIE). Advanced data analysis such as ratiometric FRET efficiency, lifetime-based FRET measurement, and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) revealed that the fast dynamic oscillation in sub-millisecond timescale of the full-length mGlu2, and prove the stabilization role of the transmembrane domain of the full-length receptor in favor of the active state.

[...]Mon projet de Doctorat a donc visé à : 1. déterminer le rôle de la voie de signalisation PKR1 in vivo ; 2. la perte de la voie de signalisation PKR1 provenant de l’épicarde induit des dysfonctions cardiaques et rénales ; 3. mettre en évidence le rôle de PKR1 dans l’activation et la différentiation des cellules progénitrices.[...] / [...]My specific aim are the following : 1. To determine the role of PKR1 signaling pathways in vivo ; 2. To show that the inactivation of PKR1 specifically in epicardium can induce cardiac and renal disorders ; 3. To determine the role of PKR1 in activation and differentiation of progenitor cells.[...]

Dans la majorité des cas, l’hypersécrétion de cortisol résulte d’un adénome hypophysaire sécrétant de l’ACTH (maladie de Cushing). Plus rarement, le syndrome de Cushing est la conséquence d’un adénome corticosurrénalien unilatéral ou d’une hyperplasie bilatérale des surrénales (HMBS) sécrétant du cortisol. Ces deux pathologies appartiennent à la catégorie des hypercortisolismes dits ACTH-indépendants en raison des taux plasmatiques effondrés d’adrénocorticotrophine (ACTH). Les mécanismes moléculaires à l’origine de la sécrétion accrue de cortisol par ces lésions sont longtemps restés méconnus. Au cours des dernières années, des avancées considérables ont été réalisées dans la compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans la physiopathologie du syndrome de Cushing. Deux grands types d’anomalies paraissent impliqués dans la pathogénie de l’hypercortisolisme : des mutations germinales et somatiques activant des voies de signalisation intracellulaires et l’expression illégitime de récepteurs membranaires. Dans la surrénale humaine normale, la sérotonine (5-HT), synthétisée et libérée par les mastocytes sous-capsulaires, stimule la sécrétion des corticostéroïdes via son récepteur 5-HT4. Ce dernier est principalement localisé à la surface des cellules de la zone glomérulée mais faiblement exprimé au niveau des cellules de la zone fasciculée, expliquant l’action stimulante prédominante de la 5-HT sur la sécrétion d’aldostérone. Dans la dysplasie micronodulaire pigmentée des surrénales, l’activation de la voie AMPc/PKA par une mutation du gène PRKAR1A est responsable d’une surexpression de la tryptophane hydroxylase (TPH) de type 2, enzyme limitante de la synthèse de 5-HT, et des récepteurs sérotoninergiques 5-HT4, 5-HT6 et 5-HT7 couplés positivement à la voie AMPc/PKA dans les cellules cortisolosécrétrices. Chez l’Homme, la sécrétion de cortisol est physiologiquement stimulée par l’ACTH également via la voie AMPc/PKA. Les patients souffrant de maladie de Cushing, d’un syndrome de Cushing paranéoplasique (paraCS), d’un déficit en 21-hydroxylase ou d’HMBS présentent des taux d’ACTH plasmatique ou intrasurrénalienne élevés. Chez ces patients, nous montrons que la stimulation chronique de la voie AMPc/PKA par l’ACTH provoque une surexpression de la TPH de type 1, du récepteur eutopique 5-HT4 et des récepteurs ectopiques 5-HT6 et 5-HT7 dans les cellules stéroïdogènes. Pour l’un des patients avec paraCS, nous avons pu montrer que les cellules corticosurrénaliennes en culture sécrètent du cortisol en réponse à la 5-HT ou à des agonistes des récepteurs 5-HT4 ou 5-HT7. Par ailleurs, le rôle de la voie Wnt/-caténine dans l’apparition des récepteurs illégitimes reste controversé. Nous avons donc évalué l’expression des récepteurs 5-HT4, 5-HT6, 5-HT7, du LH-R et du GIP-R dans une tumeur corticosurrénalienne avec mutation germinale du gène APC et deux modèles d’activation constitutive de la voie Wnt/-caténine dans le cortex surrénalien, incluant des souris génétiquement modifiées et des cellules corticosurrénaliennes humaines en culture primaire. Nos résultats indiquent que l’activation de la voie Wnt/-caténine favorise une surexpression significative du LH-R dans les 3 modèles étudiés. Globalement, les données issues de notre travail montrent que l’activation de voies de signalisation intracellulaire, comme la voie AMPc/PKA par l’ACTH ou la voie Wnt/-caténine par des mutations génétiques, favorise l’émergence de systèmes de régulation surrénaliens aberrants. Ils indiquent en outre que la 5-HT intrasurrénalienne est impliquée dans l’hypersécrétion de corticostéroïdes associée à différentes pathologies incluant la maladie de Cushing et le syndrome de Cushing paranéoplasique, le bloc en 21-hydroxylase et l’HMBS. Le recours à des inhibiteurs sélectifs de la tryptophane hydroxylase pourrait donc permettre de réduire l’excès de stéroïdes chez les patients atteints de ces affections. / In most cases, cortisol hypersecretion (Cushing’s syndrome; CS) results from ACTH-producing pituitary adenoma (Cushing’s disease). Occasionally, CS is the consequence of a unilateral adrenal adenoma or a bilateral macronodular adrenal hyperplasia (BMAH) producing cortisol. In these conditions, hypercortisolism is referred to as “ACTH-independent” owing to suppressed plasma ACTH levels. The molecular mechanisms underlying the maintenance of cortisol hypersecretion by adrenocortical adenomas and BMAHs in the absence of circulating ACTH has long remained unknown. However, major advances have been made during the past recent years in the comprehension of the pathophysiology of primary adrenal CS. Two main types of molecular defects have been shown to favor cortisol hypersecretion by adrenocortical neoplasms: somatic mutations responsible for activation of intracellular signaling pathways and abnormally expressed (or illegitimate) membrane receptors by tumor cells. In the human adrenal gland, serotonin (5-HT), released by subcapsular mast cells stimulates corticosteroid secretion through activation of its type 4 receptor (5-HT4R). The 5-HT4R is principally expressed in zona glomerulosa cells but weakly expressed in zona fasciculata cells explaining why 5-HT strongly stimulates aldosterone production. Interestingly, in primary pigmented nodular adrenocortical disease (PPNAD) cells, activation of the cAMP/PKA pathway by PRKAR1A mutations triggers upregulation of the 5-HT synthesizing enzyme tryptophan hydroxylase (TPH) type 2 together with the 5-HT4, 5-HT6 and 5-HT7 receptors, positively coupled to cAMP/PKA signaling pathway. 5-HT strongly stimulates cortisol production and inhibition of TPH reduced corticosteroidogenesis in cultured PPNAD cells. In human, cortisol secretion is normally stimulated by ACTH also through activation of the cAMP/PKA signaling pathway. Patients suffering from Cushing’s disease, paraneoplastic Cushing’s syndrome (paraCS), 21-hydroxylase deficiency or BMAH display high plasma or intraadrenal ACTH levels. In these patients, we show that chronic stimulation of cAMP/PKA pathway by ACTH induces TPH type 1 and 5-HT4/6/7 receptors overexpression in steroidogenic cells. In primary cultured adrenocortical cells originating from a patient with paraCS, 5-HT and 5-HT4/7 receptors agonists were able to activate cortisol secretion. On the other hand, the role of Wnt/-catenin signaling pathway in the emergence of illegitimate receptors is still debated. We therefore evaluated 5-HT4, 5-HT6, 5-HT7, LH/hCG and GIP receptors expression in an adrenocortical tumor with APC germline mutation and two experimental models of constitutive activation of β-catenin in adrenocortical cells, namely genetically modified mice and human transfected adrenocortical cells. Our results indicate that Wnt/-catenin pathway activation promotes significant overexpression of LH/hCG receptor in the 3 models investigated. Globally, our data show that activation of intracellular signaling pathways such as the cAMP/PKA pathway by ACTH or Wnt/-catenin by genetic mutations favors the emergence of abnormal regulatory systems in the adrenal cortex. Our results also demonstrate that intraadrenal 5-HT is involved in corticosteroids hypersecretion related to different diseases including Cushing’s disease, paraneoplastic Cushing’s syndrome, 21-hydroxylase deficiency and BMAH. TPH inhibitors may thus represent a new therapeutic approach of corticosteroid excess in patients suffering from these disorders.

L'insuffisance cardiaque est un réel problème de santé publique avec 1 millions de patients souffrant de cette pathologie cette année en France. Elle est définie incapacité de fournir un débit sanguin suffisant à l'organisme. Cette diminution de débit est traduite par la perte de fonction contractile du coeur provoqué par la nécrose des cellules responsable de cette fonction : les cardiomyocytes. Dans cette étude j'ai pu étudier les modifications topographiques et biomécaniques de la membrane du cardiomyocyte vivant en amont de sa rupture lors de la nécrose, par une technologie issue des nanosciences : la microscopie à force atomique (AFM). Mes travaux ont fait apparaitre une membrane très structurée chez le cardiomyocyte sain et une perte de cette architecture dans un temps précoce de l'installation de l'insuffisance cardiaque. L'utilisation de la microscopie électronique à transmission à montrer que les anomalies mises en évidences par AFM ont pour origine un réarrangement mitochondriale. Dans une seconde étude je me suis intéressée à l'organisation oligomérique d'une famille particulière de récepteur transmembranaire, les récepteurs couplés aux protéines G. Ces protéines sont une des cibles privilégiées pour les traitements pharmacologiques de l'insuffisance cardiaque tel que le bêta-bloquants et les vasodilatateurs. Ce mécanisme d'oligomérisation pourrait être la clef des effets secondaires liés à ces traitements. Afin d'étudier la conformation oligomérique, j'ai utilisé la spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique pour mettre en évidence différentes populations oligomérique de ces récepteurs sur la surface membranaire. Les résultats ont montré une distribution des populations oligomériques en fonction des conditions (densité de plasmide codants pour les récepteurs/stimulation avec agoniste synthétique ou naturel). Il est possible qu'il y ait une régulation des voies de signalisations par l'oligomérisation des récepteurs activés. La différence d'activité possible de chaque population oligomérique (monomère/dimère/tétramère/hexamère) semble être une explication plausible aux effets secondaire des agents pharmacologique. Mes travaux de thèse ont permis la mise en évidence de nouvelle piste par une technologie innovante, la microscopie à force atomique, dans le traitement de l'insuffisance cardiaqu / Heart failure is a public health problem with 1 million patients this year in France. This pathology is defined inability to heart pump sufficiently to maintain blood flow to meet the body's needs. This decrease is explicated by the loss of contractile function of the heart, caused by the necrosis of the contractile cells: cardiomyocytes. In this study, I was able to study the topographic and biomechanical modification of the cardiomyocyte membrane upstream of its rupture during necrosis, by technology derived from nanosciences : atomic force microscopy (AFM). My work reveals a highly structured membrane in healthy cardiomyocytes and a loss of this architecture in an early stage of the heart failure installation. In a second study I was interested in the oligomeric organization of a transmembrane receptors family , G protein-coupled receptors. These proteins are a privileged target for the pharmacological treatments on heart failure such as beta- Blockers and vasodilators. This oligomerization mechanism could be the key to the side effects associated with treatments. In order to study the oligomeric conformation, I used single molecule force spectroscopy and I reveal different oligomeric populations of these receptors on the membrane. The results showed a oligomeric populations distribution according the conditions (plasmid density coding for receptors / stimulation with synthetic or natural agonist). It is possible that there is a regulation of the signaling pathways, using the oligomerization for specific activation receptors. The possible difference in activity of each oligomeric population (monomer / dimer / tetramer / hexamer) appears to be a plausible explanation for the side effects of pharmacological agents. My thesis work allowed the discovery of a new track by an innovative technology, atomic force microscopy, in the treatment of heart failure.

La migration cellulaire est un mécanisme important pour divers processus cellulaires tels que l’embryogenèse et la cicatrisation. De même, elle participe à des processus pathologiques notamment l’invasion des cellules malignes et la formation des métastases cancéreux. La dissémination métastatique est un processus très compliqué. L’acquisition du pouvoir migratoire invasif par la cellule maligne ainsi que son potentiel métastatique est gérée par le cytosquelette qui est dynamiquement modifié et contrôlé par des voies de signalisation intracellulaires. Cependant, la physiologie des cellules métastatiques et les cascades de signalisation qui les poussent à métastaser ne sont toujours pas comprises. Les protéines Ezrine, Radixine et Moésine (ERMs) jouent un rôle important dans l’organisation du cytosquelette au cortex cellulaire et elles sont des déterminantes clés de la migration cellulaire. Ainsi, une dérégulation à ce niveau peut conduire à une migration cellulaire aberrante. D’où l’implication des ERMs dans différents cancers agressifs et invasifs. Les ERMs sont régulées en aval de plusieurs acteurs cellulaires notamment les récepteurs membranaires. Plusieurs études ont rapporté que le récepteur au thromboxane A2 (RTXA2), un récepteur couplé à la protéine G (RCPG) favorise les métastases. Il a été décrit surtout dans le cadre de cancer du sein triple négatif (CSTN), l’un des cancers les plus mortels chez la femme. Les RCPG possèdent un rôle central dans presque toutes les fonctions physiologiques et constituent la plus grande famille des cibles médicamenteuses. D’une manière intéressante, les deux laboratoires de Dr Sébastien Carréno et Dr Michel Bouvier, ont découvert que le RTXA2 active les protéines ERMs à travers la GTPase RhoA. Dans ce projet de recherche on a identifié une nouvelle voie de signalisation liant le RTXA2 aux ERMs à travers la GTPase RhoA et la kinase SLK. Cette voie est impliquée dans la migration des cellules de cancer du sein triple négatif. Ainsi, on a pu démontrer que la moésine et la kinase SLK agissaient en aval du récepteur étudié pour favoriser la vitesse et la directionnalité de la migration des cellules de CSTN. 6 On a montré que la migration cellulaire dirigée en aval du RTXA2 est due à une polarité de la moésine au front de la migration. On a constaté aussi que la moésine est responsable d’une polarité des filaments d’actine au front de la migration suite à une activation du récepteur. Ce travail a mis en évidence une nouvelle cascade de signalisation importante pour la migration des cellules cancéreuses agressives triples négatives du sein ce que pourrait être une nouvelle cible des thérapies anti-métastatiques. / Cell migration is an important mechanism for various cellular processes such as embryogenesis and cicatrization. Likewise, it controls pathological processes including the invasion of malignant cells and the formation of metastases. Metastasis is a very complicated process. The acquisition of invasive migratory power by a malignant cell as well as its metastatic potential is regulated by the cytoskeleton which is dynamically modified and controlled by intracellular signaling pathways. However, metastatic cells physiology and the cascades causing their metastases are not clear yet. Ezrin, Radixin and Moesin (ERMs) proteins have an important role in organizing the cytoskeleton at the cell cortex and they are key determinants of cell motility. Thus, a deregulation at this point may lead to an aberrant cell migration. Hence, the involvement of ERMs in various aggressive and invasive cancers. ERMs are regulated downstream of several cellular actors in particular membrane receptors. Several studies have reported that the thromboxane A2 receptor (TXA2R), a G protein coupled receptor (GPCR) promotes metastasis. It has been described especially in the context of triple negative breast cancer (TNBC), one of the deadliest cancers in women. GPCR have a central role in almost all physiological functions and constitute the largest family of drug targets. Interestingly, the two laboratories of Dr Sébastien Carréno and Dr Michel Bouvier, have discovered that the TXA2R activates ERM proteins through the GTPase RhoA. In this research project, we have identified a new signaling pathway linking the TXA2 receptor to ERMs via RhoA and the kinase SLK. This pathway is involved in the migration of triple negative breast cancer cells. Thus, we demonstrated that moesin and SLK acted downstream of the receptor to promote the speed and directionality of TNBC cells migration. We discovered that the directed cell migration downstream of TXA2R is due to a polarization of moesin at the leading edge. We also observed that moesin is responsible for actin filaments polarity at the leading edge following an activation of the receptor. So, this work has revealed a new signaling cascade important for the migration of aggressive triple negative breast cancer cells which could be a new target for anti-metastatic therapies.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont une famille de protéines hautement conservée chez les eucaryotes et constituent la plus grande famille de récepteurs. Ces récepteurs sont impliqués dans presque tous les processus physiologiques, mais leur capacité à réguler un vaste éventail de processus biologiques différents fait l'objet de recherches intenses. Bien qu'ils soient classiquement considérés comme des récepteurs de la membrane plasmique, les RCPG sont présents dans tous les organites membranaires intracellulaires et certains d'entre eux ont la capacité de transduire des signaux à partir de ces organites. La signalisation d'un RCPG à partir de ces organelles intracellulaires est appelée signalisation biaisée par la localisation et cette signalisation peut avoir un résultat fonctionnel différent de celui des événements de signalisation du récepteur localisé dans la membrane plasmique. La signalisation biaisée par la localisation est un concept émergent en biologie des RCPG et peut ajouter une couche supplémentaire à la fonction du récepteur. D'autre part, avec la détection de certains RCPG à l'intérieur de différents organites, y compris le noyau, une modalité fonctionnelle non réceptrice pour les RCPG pourrait être postulée et pourrait également expliquer les divers rôles de cette famille. Cependant, cet aspect est presque entièrement inexploré. HCAR1 (GPR81), en tant que RCPG, est activé de manière endogène par le lactate et il a été démontré qu'il favorise la malignité du cancer en favorisant un niveau plus élevé de glycolyse dû à l'effet Warburg et cela par différentes voies. Son niveau d'expression est très élevé dans de nombreux cancers et présente une corrélation négative avec le pronostic du patient. Cependant, son mécanisme d'action n'est pas bien compris. Dans cette thèse, nous avons étudié la localisation nucléaire et les rôles potentiels du HCAR1 et nous avons découvert que ce récepteur est localisé à la membrane nucléaire et à l'intérieur du noyau, en plus de sa localisation à la membrane plasmique. Le HCAR1 nucléaire (N-HCAR1) est capable d'induire une signalisation intranucléaire basée sur la localisation pour induire la phosphorylation de ERK et d’AKT dans le noyau. En utilisant des approches protéomiques et génomiques, nous avons découvert que N-HCAR1 est impliqué dans plusieurs fonctions non réceptrices régulant différents processus à travers ses interactomes nucléaires. Ce regroupement nucléaire de HCAR1, en fonction de ses facteurs de liaison, favorise la traduction des protéines, la biogenèse ribosomale et la réparation des dommages à l'ADN. De manière intéressante, N-HCAR1 interagit également avec des facteurs de remodelage de la chromatine et régule directement l'expression des gènes d'après notre séquençage ChIP à l'échelle du génome. Nous avons également effectué un séquençage de l’ARN et les résultats montrent que N-HCAR1 régule l'expression d'un réseau de gènes plus large que son homologue de la membrane plasmique. Notamment, l'exclusion nucléaire de HCAR1 s'est avérée avoir le même effet que son knockdown complet sur la croissance tumorale et les métastases in vivo. Nos données révèlent une signalisation basée sur la localisation et des fonctions non canoniques pour un RCPG dans le noyau par lesquelles HCAR1 peut réguler différents processus cellulaires. / G Protein-Coupled Receptors (GPCR) are a highly conserved protein family in eukaryotes through evolution and they are the largest receptor family. These receptors are virtually involved in every physiological processes, but their ability to regulate such a vast array of different biological processes is under intense investigation. Although classically considered a plasma membrane receptor, GPCRs are found in every intracellular membranous organelle and some of them are shown to have the capacity for signal transduction from those organelles. The signaling of a GPCR from these intracellular organelles is called location-biased signaling and this signaling could have a different functional output than the signaling events from the plasma membrane-localized receptor. Location-biased signaling is an emerging concept in the GPCR biology and can add an extra layer to the receptor function. On the other hand, with the detection of some GPCRs inside different organelles including the nucleus, a non-receptor functional modality for GPCRs could be postulated and could also account for the diverse roles of this family. However, this aspect is almost entirely unexplored. HCAR1 (GPR81), as a GPCR, is endogenously activated by lactate and has been shown to promote cancer malignancy via a higher level of glycolysis due to the Warburg effect, through different pathways. Its expression level is highly elevated in many cancers and negatively correlates with the patient’s prognosis. However, its mechanism of action is not well understood. In this thesis, we investigated the nuclear localization and potential roles of HCAR1 therein and we found this receptor is localized to the nuclear membrane and inside the nucleus, besides its plasma membrane localization. The Nuclear HCAR1 (N-HCAR1) is capable of inducing location-biased signaling intranuclearly to induce nuclear-ERK and AKT phosphorylation. Using proteomics and genomics approaches, we discovered that N-HCAR1 is involved in several different non-receptor functions regulating different processes through its nuclear interactomes. This nuclear pool of HCAR1, depending on its binding factors, promotes protein translation, ribosomal biogenesis, and DNA-damage repair. Interestingly, N-HCAR1 also interacts with chromatin remodeling factors and directly regulates gene expression based on our genome-wide ChIP-sequencing. We also performed RNA-seq, and the results show N-HCAR1 regulates the expression of a broader gene network than its plasma membrane counterpart. Notably, nuclear exclusion of HCAR1 proved to have the same effect as its complete knockdown on tumor growth and metastasis in vivo. Our data reveal location-biased signaling and non-canonical functions for a GPCR in the nucleus by which HCAR1 can regulate different cellular processes.

Récemment plusieurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) ont été caractérisés au niveau des membranes intracellulaires, dont la membrane nucléaire. Notre objectif était de déterminer si les sous-types de récepteurs β-adrénergiques (βAR) et leurs machineries de signalisation étaient fonctionnels et localisés à la membrane nucléaire des cardiomyocytes. Nous avons démontré la présence des β1AR et β3AR, mais pas du β2AR à la membrane nucléaire de myocytes ventriculaires adultes par immunobuvardage, par microscopie confocale, et par des essais fonctionnels. De plus, certains partenaires de signalisation comme les protéines GαS, Gαi, l’adénylate cyclase II, et V/VI y étaient également localisés. Les sous-types de βAR nucléaires étaient fonctionnels puisqu'ils pouvaient lier leurs ligands et activer leurs effecteurs. En utilisant des noyaux isolés, nous avons observé que l'agoniste non-sélectif isoprotérénol (ISO), et que le BRL37344, un ligand sélectif du β3AR, stimulaient l'initiation de la synthèse de l’ARN, contrairement à l'agoniste sélectif du β1AR, le xamotérol. Cette synthèse était abolie par la toxine pertussique (PTX). Cependant, la stimulation des récepteurs nucléaires de type B de l’endothéline (ETB) causaient une réduction de l'initiation de la synthèse d’ARN. Les voies de signalisations impliquées dans la régulation de la synthèse d’ARN par les RCPGs ont ensuite été étudiées en utilisant des noyaux isolés stimulés par des agonistes en présence ou absence de différents inhibiteurs des voies MAP Kinases (proteines kinases activées par mitogènes) et de la voie PI3K/PKB. Les protéines impliquées dans les voies de signalisation de p38, JNK, ERK MAP Kinase et PKB étaient présents dans les noyaux isolés. L'inhibition de PKB par la triciribine, inhibait la synthèse d’ARN. Nous avons ensuite pu mettre en évidence par qPCR que la stimulation par l’ISO entrainait une augmentation du niveau d'ARNr 18S ainsi qu’une diminution de l'expression d’ARNm de NFκB. En contraste, l’ET-1 n’avait aucun effet sur le niveau d’expression de l’ARNr 18S. Nous avons ensuite montré que la stimulation par l’ISO réduisait l’expression de plusieurs gènes impliqués dans l'activation de NFκB, tandis que l’inhibition de ERK1/2 et PKB renversait cet effet. Un microarray global nous a ensuite permis de démontrer que les βARs et les ETRs nucléaires régulaient un grand nombre de gènes distincts. Finalement, les βARs et ETRs nucléaires augmentaient aussi une production de NO de noyaux isolés, ce qui pouvait être inhibée par le LNAME. Ces résultats ont été confirmés dans des cardiomyocytes intacts en utilisant des analogues cagés et perméables d’ISO et de l'ET-1: l'augmentation de NO nucléaire détectée par DAF2-DA, causée par l'ET-1 et l'ISO, pouvait être prévenue par le LNAME. Finalement, l’augmentation de l’initiation de la transcription induite par l'ISO était aussi bloquée par le L-NAME ou par un inbitheur de PKG, le KT5823, suggérant que la voie NO-GC-PKG est impliquée dans la régulation de la transcription par les βAR. En conclusion, les βARs et les ETRs nucléaires utilisent des voies de signalisation différentes et exercent ainsi des effets distincts sur l’expression des gènes cardiaques. Ils représentent donc une avenue intéressante pour le développement de drogues pharmacologiques. / Recently several G protein-coupled receptors (GPCRs) have been shown to localize to intracellular membranes, in particular the nuclear membrane. As such, we sought to determine if the β-adrenergic receptor (βAR) subtypes and their associated signalling machinery are functionally localized to nuclear membranes. We demonstrated the presence of β1AR and the β3AR, but not the β2AR, in adult ventricular myocyte nuclei by western blotting, confocal microscopy and functional assays. Downstream signalling partners such as GαS, Gαi and adenylyl cyclase II and V/VI were also present. Nuclear-localized βARs were functional with respect to ligand binding and effector activation. In isolated nuclei, the non-selective βAR agonist isoproterenol (ISO) and the β3AR-selective ligand BRL37344, but not the β1AR-selective xamoterol, stimulated transcription initiation in a pertussis toxin (PTX)-sensitive manner. In contrast, stimulation of type B endothelin receptors (ETB), another GPCR family shown to be present on the nuclear membrane, decreased de novo RNA synthesis. To investigate the signalling pathway(s) involved in GPCR-mediated regulation of RNA synthesis, nuclei were isolated from intact adult rat hearts and treated with receptor agonists in the presence or absence of inhibitors of the PI3K/PKB and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. Components of p38, JNK, and ERK1/2 MAPK cascades as well as PKB were detected in nuclear preparations. Inhibition of PKB with triciribine converted the activation of the βAR from stimulatory to inhibitory with regards to transcription initiation. Analysis by qPCR indicated isoproterenol treatment increased 18S rRNA but decreased NFκB mRNA. In contrast, ET-1 had no effect on 18S rRNA expression. Further investigation using pathway-specific PCR arrays revealed that isoproterenol treatment also reduced the expression of several other genes involved in the activation of NFκB and that ERK1/2 and PKB inhibitors attenuated this effect. Subsequent genome-wide microarray analysis has revealed that nuclear βAR and ETB regulated a host of genes in an overlapping but distinct manner. Moreover, both ET-1 and ISO produced an L-NAME-sensitive increase in NO production in isolated cardiac nuclei. These observations were confirmed in intact cardiomyocytes using novel caged analogues of ISO and ET-1 and the cell-permable NO-sensitive fluorescent dye, DAF-2 DA. Briefly, both ET-1 and isoproterenol increased NO production, and this increase was prevented upon preincubation with L-NAME. Moreover, the ability of isoproterenol to increase transcription initiation in isolated nuclei was blocked by L-NAME or the PKG inhibitor KT5823, indicating the NO-GC-PKG pathway is involved in the regulation of gene expression by nuclear βARs. Hence, we have shown that βARs and ETRs in the nuclear membrane activate distinct signalling pathways, resulting in different effects on gene transcription and thus represent potentially important targets for drug development.

La modification de l'activité neuronale peut engendrer des altérations dans des circuits neuronaux. L'activation des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) peux participer à des mécanismes à la base du développement de maladies comme l'addiction à la cocaïne. La consommation de cocaïne conduit à une augmentation de neurotransmetteurs tels que la dopamine, l'histamine et le glutamate qui activent des RCPG dans le cerveau. La signalisation des RCPG peut se faire au travers de monomères, d'homo- ou d'hétéromères de RCPG ainsi que par des interactions protéine - protéine, permettant entre autre une régulation croisée. Nous montrons que les récepteurs de la dopamine 1 (D1R) et de l'histamine 3 (H3R) induisent une signalisation croisée dans le striatum de rat vraisemblablement par la formation d'hétérodimères. Une administration chronique de cocaïne modifie la signalisation de ces récepteurs tant que la signalisation croisée des D1R et H3R. Les H3R et les récepteurs métabotropes du glutamate 1/5 (mGlu1/5R) sont fortement exprimés dans l'hippocampe et le striatum. Des expériences de comportement suggèrent que ces récepteurs seraient susceptibles de coordonner leurs signalisations par une régulation croisée. Nos expériences d'électrophysiologie, de mesure de Ca++ intracellulaire et de transduction du signal montrent effectivement une régulation croisée des récepteurs H3R et mGlu1/5R dans le cerveau de rat. De plus, nous montrons que la consommation chronique de cocaïne affecte la signalisation des H3R et mGlu1/5R de manière différente de son impacte sur leur signalisation croisée. Nos résultats démontrent l'existence d'une régulation croisée de certains RCPG dans le cerveau de rat. De plus, la consommation chronique de la cocaïne affecte différemment la signalisation induite par l'activation d'un récepteur et l'induction d'une signalisation croisée. / Alterations of neuronal activity, mediated by G-protein coupled receptors (GPCRs), can modulate neuronal circuits and are thought to be important in the development and expression of diseases as cocaine addiction. GPCR activity is regulated by various mechanisms, including protein-protein interactions in the membrane, permitting these receptors to crosstalk and form homo-and heteromers. Cocaine blocks monoamine reuptake leading to increased synaptic presence of various neurotransmitters including dopamine, histamine and glutamate in the brain. First we describe that dopamine D1 receptors (D1R) and histamine H3 receptors (H3R) crosstalk in the rodent brain. Chronic cocaine self-administration altered the crosstalk between D1R and H3R in the striatum, a brain structure involved in habit learning and motor control. The altered signaling was observed in both individual receptor signaling and by D1R-H3R crosstalk signaling. Both histamine H¬3R and metabotropic glutamate 1/5 receptors (mGlu1/5R) are highly expressed in the hippocampus and the striatum of rodents and they are involved in behaviors regulated by these structures. We describe that H3R and mGlu1/5R crosstalk in pyramidal neurons of the hippocampus and in the striatum of rats. In addition, we found that signaling through H3R and mGlu1/5R were differently affected by chronic cocaine self-administration than the apparent crosstalk between the receptors. These results show evidence of GPCR interactions in adult rodent brain and reveal that chronic cocaine self-administration differently affected crosstalk and single receptor mediated signaling.

Le remodelage cardiaque est le processus par lequel la structure ou la fonction cardiaque change en réponse à un déséquilibre pathophysiologique tel qu'une maladie cardiaque, un contexte d'arythmie prolongée ou une modification de l'équilibre hormonal. Le système rénine-angiotensine (SRA) est un système hormonal largement étudié et il est impliqué dans de nombreuses activités associées au remodelage cardiovasculaire. L’existence d'un système circulatoire couplé à un système de tissus locaux est une représentation classique, cependant de nouvelles données suggèrent un SRA indépendant et fonctionnellement actif à l'échelle cellulaire. La compréhension de l'activité intracellulaire du SRA pourrait mener à de nouvelles pistes thérapeutiques qui pourraient prévenir un remodelage cardiovasculaire défavorable. L'objectif de cette thèse était d'élucider le rôle du SRA intracellulaire dans les cellules cardiaques. Récemment, les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), les protéines G et leurs effecteurs ont été détectés sur des membranes intracellulaires, y compris sur la membrane nucléaire, et les concepts de RCPG intracellulaires fonctionnels sont en voie d'être acceptés comme une réalité. Nous avons dès lors fait l'hypothèse que la signalisation du SRA délimitant le noyau était impliquée dans le contrôle de l'expression des gènes cardiaques. Nous avons démontré la présence de récepteurs d'angiotensine de type-1 (AT1R) et de type-2 (AT2R) nucléaires dans les cardiomyocytes ventriculaires adultes et dans une fraction nucléaire purifiée de tissu cardiaque. Des quantités d'Ang II ont été détectées dans du lysat de cardiomyocytes et des microinjections d'Ang-II-FITC ont donné lieu à des liaisons préférentielles aux sites nucléaires. L'analyse transcriptionnelle prouve que la synthèse d'ARN de novo dans des noyaux isolés stimulés à l'Ang-II, et l'expression des ARNm de NF-κB étaient beaucoup plus importants lorsque les noyaux étaient exposés à de l'Ang II par rapport aux cardiomyocytes intacts. La stimulation des AT1R nucléaires a engendré une mobilisation de Ca2+ via les récepteurs de l'inositol trisphosphate (IP3R), et le blocage des IP3R a diminué la réponse transcriptionnelle. Les méthodes disponibles actuellement pour l'étude de la signalisation intracrine sont limitées aux méthodes indirectes. L'un des objectifs de cette thèse était de synthétiser et caractériser des analogues d'Ang-II cellule-perméants afin d’étudier spécifiquement dans les cellules intactes l'activité intracellulaire du SRA. Nous avons synthétisé et caractérisé pharmacologiquement des analogues photosensibles Ang-II encapsulée en incorporant un groupement 4,5-diméthoxy-2-nitrobenzyl (DMNB) photoclivable sur les sites actifs identifiés du peptide. Chacun des trois analogues d'Ang II encapsulée synthétisés et purifiés: [Tyr(DMNB)4]Ang-II, Ang-II-ODMNB et [Tyr(DMNB)4]Ang-II-ODMNB a montré une réduction par un facteur deux ou trois de l'affinité de liaison envers AT1R et AT2R dans les dosages par liaison compétitive et une activité réduite dans la contraction de l'aorte thoracique. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans des cellules HEK a augmenté la phosphorylation d'ERK1/2 (via AT1R) et la production de cGMP (via AT2R) alors que dans les cardiomyocytes isolés elle générait une augmentation de Ca2+ nucléoplasmique et initiait la synthèse d'ARNr 18S et d'ARNm du NF-κB. Les fibroblastes sont les principaux générateurs de remodelage cardiaque structurel, et les fibroblastes auriculaires sont plus réactifs aux stimuli profibrotiques que les fibroblastes ventriculaires. Nous avons émis l'hypothèse que l’Ang-II intracellulaire et l'activation des AT1R et AT2R nucléaires associés contrôlaient les profils d'expression des gènes des fibroblastes via des systèmes de signalisation distincts et de ce fait jouaient un rôle majeur dans le développement de la fibrose cardiaque. Nous avons remarqué que les fibroblastes auriculaires expriment l’AT1R et l’AT2R nucléaire et l'Ang-II au niveau intracellulaire. L’expression d'AT1R nucléaire a été régulés positivement dans les cas d’insuffisance cardiaque (IC), tandis que l'AT2R nucléaire a été glycosylé post-traductionnellement. La machinerie protéique des protéines G, y compris Gαq/11, Gαi/3, et Gβ, a été observée dans des noyaux isolés de fibroblastes. AT1R et AT2R régulent l'initiation de la transcription du fibroblaste via les voies de transduction de signal d'IP3R et du NO. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans une culture de fibroblastes auriculaire déclenche la libération de Ca2+ nucléoplasmique, la prolifération, et la synthèse et sécrétion de collagène qui ne sont pas inhibées par les bloqueurs d'AT1R et/ou AT2R extracellulaires. / Cardiac remodelling is the process by which cardiac structure and/or function change in response to pathophysiological imbalances such as hypertension, cardiac disease, prolonged arrhythmia or altered hormonal balance. The renin-angiotensin system (RAS) is an extensively studied hormonal system involved in numerous processes associated with cardiovascular remodelling. Classically viewed as a circulating and a local tissue system, emerging evidence suggests an independent and functionally active RAS within individual cells. Understanding intracellular RAS actions might lead to new therapeutic avenues that could prevent adverse cardiac remodelling. The purpose of this thesis was to elucidate the role of intracellular RAS in cardiac cells. Recently, G protein-coupled receptors (GPCRs), G proteins, and their downstream effectors have been detected on intracellular membranes, including the nuclear membrane, and the concept of functional intracellular GPCRs is slowly being accepted as a reality. We therefore hypothesized that nuclear-delimited angiotensin II (Ang-II) signalling is involved in controlling cardiac gene expression. We demonstrated the presence of nuclear angiotensin-type 1 (AT1R) and angiotensin-type 2 (AT2R) receptors in adult ventricular cardiomyocytes and in a purified nuclear preparation from cardiac tissue. Ang-II was detected in cardiomyocyte lysate and microinjected Ang-II-FITC preferentially bound to nuclear sites. Transcriptional analysis demonstrated that Ang-II enhanced de novo RNA synthesis in isolated nuclei and NF-κB mRNA expression was much greater when nuclei were exposed to Ang-II. Nuclear AT1R-stimulation produced Ca2+ mobilization via nuclear inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP3R) Ca2+-channels, and IP3R-blockade attenuated the AT1R-mediated transcriptional responses in isolated nuclei. Current methods available to study intracrine RAS signalling are limited to indirect methodologies because of a lack of selective intracellularly-acting probes. An aim of this thesis was to synthesize and characterize cell-permeant Ang-II analogues to probe intracellular RAS action with spatial and temporal precision. Using solid-phase peptide technology we synthesized and pharmacologically characterized light-sensitive caged Ang-II analogues. This was achieved by incorporating a photocleavable 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl (DMNB) moiety on sites of Ang-II responsible for receptor recognition and activation. All of the three synthesized and purified caged-Ang-II analogues: [Tyr(DMNB)4]Ang-II, Ang-II-ODMNB and [Tyr(DMNB)4]Ang-II-ODMNB, showed two-to-three orders of magnitude reduced binding affinity towards the AT1R and AT2R in competition binding assays and reduced potency in contraction assays using thoracic aorta. Photolysis of [Tyr(DMNB)4]Ang-II in HEK cells increased ERK1/2 phosphorylation (via AT1R) and cGMP production (via AT2R) whereas in isolated cardiomyocytes it induced an increase in nucleoplasmic Ca2+ and increased the abundance of 18S rRNA and NF-κB mRNA. Fibroblasts are the main drivers of cardiac structural remodelling. Atrial fibroblasts are more responsive to pro-fibrotic stimuli than ventricular fibroblasts. We hypothesized that intracellular Ang-II and associated nuclear AT1R and AT2R activation control fibroblast gene-expression patterns via discrete signalling systems and thereby play a key role in cardiac fibrosis. Atrial fibroblasts were found to express Ang-II, and nuclear AT1R and AT2R. The nuclear localisation of AT1R was increased in fibroblasts isolated from failing hearts whereas nuclear AT2R showed alterations in glycosylation. Heterotrimeric G protein subunits including Gαq/11, Gαi/3, and Gβ were observed in isolated fibroblast nuclei. AT1R and AT2R increased fibroblast transcription initiation via IP3R and NO signal transduction pathways, respectively. Photolysis of [Tyr(DMNB)4]Ang-II in cultured atrial fibroblasts induced an increase in nucleoplasmic Ca2+, proliferation, collagen synthesis and secretion that was not prevented by extracellular AT1R and/or AT2R blockers.