Der menschliche Organismus nutzt G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), membranständige Rezeptoren an Zelloberflächen, um extrazelluläre Signale wie z.B. Hormone, Neurotransmitter, gustatorische und olfaktorische Signale ins Zellinnere zu übertragen. Die spezifische Bindung dieser extrazellulären Liganden induziert in GPCRs eine Konformationsänderung, wodurch diese mit heterotrimeren G-Proteinen im Zellinnern interagieren und den GDP/GTP Nukleotidaustausch im G-Protein katalysieren können. Das G-Protein vermittelt seinerseits das Signal durch Protein-Protein Interaktion an intrazelluläre Effektorproteine weiter. Die in der vorliegenden Habilitationsschrift zusammengefassten Publikationen über das Rhodopsin/Transducin System der Photorezeptorzelle, einem Modellsystem für GPCRs/G-Proteine, umfassen drei Themenschwerpunkte: 1. Methodische Entwicklungen zur biophysikalischen Messung der Interaktion zwischen Rhodopsin und Transducin über Lichtstreu- und Evaneszentfeld-Techniken, insbesondere der Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie. 2. Die Ausbildung der aktiven Konformation des Rhodopsins. Es wurde die zeitliche Abfolge der mit der Rhodopsinaktivierung verbundenen Protonierungsänderungen im Rezeptor untersucht sowie der Einfluß der 9-Methylgruppe des Retinal Liganden auf diese Vorgänge. Eine wesentliche Determinante für die Aktivierung der cytoplasmatischen Rezeptoroberfläche stellt das konservierte NPxxY(x)5,6F Motiv in Helix VII/VIII dar. 3. Das Rezeptor / G-Protein Interface. Durch Rezeptor-Mutagenese und die Verwendung von den Bindungsstellen des G-Proteins abgeleiteten Peptiden wurde der Helix VIII (frühere vierte cytoplasmatische Rezeptorschleife) eine essentielle Funktion bei der Interaktion mit dem G-Protein zugeschrieben. Aus unseren Studien wurde ein sequenzieller Zwei-Schritt Mechanismus für die Rhodopsin/Transducin-Interaktion abgeleitet. / The human organism employs G protein coupled receptors (GPCRs), cell surface receptors in the plasma membrane, to transmit extracellular signals such as hormones, neurotransmitters, gustatory and olfactory signals into the interior of the cell. Specific binding of these extracellular ligands induces a conformational change in GPCRs, which allows the interaction with heterotrimeric G proteins and the catalysis of GDP/GTP nucleotide exchange in the G protein. The G protein then transmits the signal by protein-protein interaction to intracellular effector proteins. The publications summarized here on the rhodopsin/transducin system of photoreceptor cells, a model system for GPCRs/G proteins, cover three topics: 1. Methodology developments for biophysical monitoring of the interaction between rhodopsin and transducin by light scattering and evanescent field techniques, in particular surface plasmon resonance spectroscopy. 2. Formation of the active conformation of rhodopsin. The temporal sequence of protonation changes linked to rhodopsin activation was investigated as well as the effect of the 9-methyl group of the retinal ligand on these processes. A crucial determinant for activation of the cytoplasmic receptor surface is represented by the NPxxY(x)5,6F motif in helices VII/VIII. 3. The receptor/G protein interface. An essential role in the interaction with the G protein was assigned to helix VIII (former fourth cytoplasmic receptor loop) by employing receptor mutagenesis and peptides derived from binding sites on the G protein. Based on our studies we proposed a sequential two-step mechanism for the rhodopsin/transducin interaction.

Unnatural amino acids (uAA) expand the structural and functional possibilities of proteins. Numerous previous studies have demonstrated uAA as a powerful tool for protein engineering, but challenges also remain. Three notable such challenges include: (1) the fitness of uAA-incorporated proteins are difficult to predict and time-consuming to screen with conventional methods, (2) uAA incorporation in difficult-to-express proteins (e.g. membrane proteins such as G-protein coupled receptors) remain challenging, and (3) the incorporation of multiple types of uAA are still limited. In response, we pose cell-free protein synthesis (CFPS), a rapid and versatile in vitro expression system, as a platform to explore solutions to these challenges. The "cell-free" nature of CFPS enables it to accelerate protein expression and tolerate extensive modifications to its translational environment. In this work, these advantages were utilized to address the aforementioned challenges by: (1) rapidly expressing and screening uAA-containing proteins, (2) incorporating uAA in functional G-protein coupled receptor in the presence of membrane-mimicking lipid additives, and (3) engineer the translational environment extensively towards multiple uAA incorporation.

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El objetivo de la presente tesis es el de aportar conocimiento sobre la bioquímica y la farmacología de los receptores de adenosina, así como entender las relaciones entre estructura química y actividad farmacológica de los ligandos existentes para estos receptores. Con este objetivo se han empleado distintas técnicas y metodologías del diseño de fármacos asistido por ordenador. Los resultados presentados en este trabajo incluyen:· El desarrollo de una estrategia original para la selección de una muestra que cubra adecuadamente la diversidad molecular existente en una base de datos de compuestos químicos· La construcción de un modelo de la región transmembrana del receptor A1 humano de adenosina, en el que se ha localizado y caracterizado un sitio de unión de agonistas compatible con los datos experimentales.· Predicciones teóricas de las energías de unión de ligandos, realizadas a partir de los complejos agonista-receptor predichos sobre el modelo mencionado, obteniendo un grado de acuerdo con los datos experimentales que resulta esperanzador / The goal of the present thesis is to gain knowledge about the biochemistry and pharmacology of adenosine receptors, as well as to understand structure-activity relationships for the existing ligands for this receptors. In order to achieve this goal, we have used several techniques and methodologies from the computer-aided drug design field. Results presented in this work include:· The development of an original strategy of selection of a maximum diversity sample that adequately covers the original molecular diversity contained in a compound database· The building of the transmembrane region of a human A1 adenosine receptor model. In such a model, an agonists binding site has been located and characterized, showing agreement with experimental data.· The resulting ligand-receptor complexes have been studied with computational approaches for the prediction of ligand-binding free energies. A nice correlation with experimental results was observed

It is widely known that early estimates about the binding properties of drug candidates are important in the drug discovery process. Surface plasmon resonance (SPR) biosensors have become a standard tool for characterizing interactions between a great variety of biomolecules and it offers a unique opportunity to study binding activity. The aim of this project was to develop a SPR based assay for pre-screening of low molecular weight (LMW) drug compounds, to enable filtering away disturbing compounds when interacting with drugs. The interaction between 47 LMW compounds and biological ligands were investigated using the instrument BiacoreTM, which is based on SPR-technology.

Le dogme voulant que les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) activent des voies de signalisation seulement lorsqu’ils sont localisés à la membrane plasmatique, a récemment été remis en question. Des données récentes indiquent que certains GPCRs peuvent également induire une réponse intracellulaire à partir des compartiments intracellulaires dont le noyau. Les récepteurs activés par la protéase (PAR) sont des membres de la famille GPCR. Les PARs sont activés par le clivage de la partie N–terminale du récepteur ce qui permet au ligand attaché sur le récepteur de se lier à sa poche réceptrice. Quatre PARs ont été décrits : PAR1, PAR2, PAR3 et PAR4. PAR2 peut susciter des effets mitogéniques et participer aux processus comme l’angiogenèse et l'inflammation. Alors que beaucoup d'effets intracellulaires de PAR2 peuvent être expliqués lorsqu’il est localisé à la membrane plasmatique, une fonction intracrine de PAR2 a aussi été proposée. Pourtant les mécanismes par lesquels PAR2 peut provoquer l’expression de gènes ciblés sont toujours inconnus. Le but de notre étude était de vérifier l’existence d’une population nucléaire de PAR2. Nous avons également émis l’hypothèse que les voies activées par l’activation de PAR2 dépendent de sa localization cellulaire. En utilisant des techniques de microscopie confocale et de "Western Blot" nous avons démontré la présence d’une population nucléaire de PAR2. À la suite de la stimulation de PAR2, nous avons observé une augmentation de la translocation du récepteur de la membrane plasmatique au noyau. En utilisant la technique de "RT – PCR", nous avons observé des rôles différents de PAR2 à la surface de la cellule et du noyau dans l’initiation de l’expression des gènes. Afin d’identifier les mécanismes responsables de la translocation nucléaire de PAR2, nous avons évalué l’implication des membres de la famille de "Sorting Nexins (SNX)" dans la translocation nucléaire de PAR2. "Sorting Nexins" est un groupe de protéines avec des fonctions de transport bien établies. SNX1 et SNX2 ont été identifiés comme responsables du transfert de PAR1 vers les lysosomes. SNX11 n'a pas encore été étudié et nous avons émis l’hypothèse qu'il pourrait être un autre membre de la famille des SNX impliqué dans la signalisation de PAR2. Pour ce faire, nous avons développé des "knockdowns" stables pour SNX1, SNX2 et SNX11 dans les cellules HEK293. En utilisant les essais d’immunofluorescence, "Western Blot" et de cytométrie en flux, nous avons déterminé que tous les trois membres du groupe SNX sont des partenaires d'interaction de PAR2. Toutefois, seul SNX11 se co-localise avec son partenaire au noyau et est responsable de sa translocation nucléaire. Les expériences de "RT - PCR" sur les lignées de cellule de SNXs "knockdowns" ont démontré que la fonction de PAR2 nucléaire dépend surtout de SNX11; néanmoins SNX1 et SNX2 peuvent aussi l’influencer, suggérant qu'ils font aussi partie du réseau signalétique de PAR2. En conclusion, PAR2 est déplacé de la membrane plasmatique à la membrane nucléaire après sa stimulation avec un agoniste. La translocation nucléaire de PAR2 par un mécanisme impliquant SNX11, initie des effets intracellulaires différents de sa signalisation membranaire. Mots clés : récepteurs couplés à la protéine G, “Sorting Nexins”, récepteurs activés par la protéase, translocation nucléaire, membrane nucléaire, signal nucléaire. / During the recent years the existing statements that G – protein coupled receptors (GPCRs) are relaying signals only from the plasma membrane have been challenged. It has become clear that some GPCRs can also signal from intracellular compartments and the nucleus. The role and the function of these nuclear GPCRs are subject of intensive investigations. Protease - activated receptors (PAR) are members of the GPCR family. PARs are activated by the cleavage of the N – terminus of the receptor followed by binding of the tethered ligand on to the receptor. Four PARs have been described: PAR1, PAR2, PAR3 and PAR4. PAR2 can induce mitogenic effects and participate in processes such as angiogenesis and inflammation. While many of the intracellular effects of PAR2 can be explained with its plasma membrane signalling pathway, intracrine effects of PAR2 have also been proposed. However the mechanisms by which PAR2 can induce its target gene expressions are still unknown. The purpose of our study was to investigate whether a distinct nuclear population of PAR2 exists. We hypothesized that the roles of PAR2 at different cellular compartments are different since signalling pathways depend on subcellular context. Using confocal microscopy and Western blot techniques we were able to demonstrate the presence of a nuclear population of PAR2. Upon stimulation of the cell membrane PAR2, we observed significant translocation of the receptor from the plasma membrane to the nucleus. Using RT – PCR technique we detected diverse roles of cell surface and nuclear PAR2 on triggered gene expression. In the current study we have attempted to reveal the mechanisms responsible for PAR2 nuclear translocation. We tested the hypothesis that members of the Sorting Nexin (SNX) family are involved in PAR2 nuclear translocation. Sorting Nexins are a new, large group of proteins with well established cargo functions. SNX1 and SNX2 have been demonstrated to be responsible for lysosomal sorting of PAR1. SNX11 has not been studied yet, and we hypothesized that it may be another SNX involved in PAR2 signalling. We developed stable knockdowns for SNX1, SNX2 and SNX11 in HEK293 cells. Using immunofluorescence, Western Blot analysis and FACS assays, we determined that all three members of SNX group are interaction partners of PAR2. However only SNX11 co-localized with its partner in the nucleus and is responsible for its nuclear translocation. RT – PCR experiments on SNXs knockdowns cell lines demonstrated that PAR2 nucleus function is mostly dependent on SNX11; nevertheless SNX1 and SNX2 knockdowns can also attenuate it, suggesting that they are part of PAR2 signalling network. In conclusion, PAR2 is being translocated from the plasma membrane to the nuclear membrane after its stimulation with SLIGKV. PAR2 nucleus translocation triggers intracellular effects different from its cell membrane signalling. SNX11 is the major factor responsible for PAR2 nuclear sorting. Keywords: G – protein coupled receptors, Sorting Nexins, Protease - activated receptors, nuclear translocation, nuclear membrane, nuclear signalling

Le sang provenant d’un cordon ombilical (SCO) représente une bonne source de cellules souches hématopoïétiques (CSH) pour des transplantations. Cependant, le nombre de cellules souches contenues dans ce sang est souvent insuffisant pour greffer un adulte. Le mécanisme intervenant dans la domiciliation de ces cellules au sein de la moelle osseuse (MO) est encore mal compris. On sait que l’interaction entre la chimiokine SDF-1 et le récepteur CXCR4, présent sur les cellules CD34+ de SCO, mène à la migration de ces cellules en direction de la MO. Nous pensons que l’augmentation de la proportion de cellules qui réussit à se greffer pourra pallier au problème du nombre. Les produits de dégradation, C3a et le C3desarg,, issus du système du complément, sont connus pour favoriser la réponse de cellules exprimant CXCR4 vers SDF-1. Nous avons analysé l’effet du C3adesarg, molécule non anaphylatoxique, sur la migration cellulaire vers SDF-1, de même que sur la prise de greffe des cellules CD34+ issues de SCO suite à une transplantation sur des souris NOD/SCIDyC-. Nos expériences ont démontré que le C3a ainsi que le C3adesarg augmentaient tous les deux la réponse des cellules CD34+ vers SDF-1. Toutefois, nous n’avons pas pu démontrer que ces molécules liaient directement le récepteur CXCR4. Par contre, le composé C3adesarg favorise la prise de greffe des cellules CD34+ de SCO. Il serait donc un bon candidat pour poursuivre une optimisation de ses propriétés. Nous avons également constaté que suite à une transplantation chez la souris, les cellules CD34+ de SCO subissent une hausse d’expression transitoire de leur CXCR4 environ quatre jours après la greffe. Cette hausse d’expression coïncide avec la multiplication des cellules CD34+ dans la MO. Nous avons également confirmé qu’une cellule CD34+ avec une forte expression de CXCR4 était dans un état prolifératif. Nos données suggèrent que l’interaction directe avec les cellules stromales soit responsable de cette hausse d’expression de CXCR4. / Since the first successful cord blood (CB) transplant was performed there has been a gradual increase in the use of CB for haematopoietic stem cell (HSC) transplantation, but the number of stem cells per CB is in general too low to ensure successful transplantation in adult patients. We would like to bypass the limitation of insufficient number of these cells in CB by enhancing the engraftment efficiency. The chemokine stromal-derived factor (SDF)-1, that binds to its receptor, CXCR4, plays an important and unique role in regulating the trafficking of HSC and their homing/retention in bone marrow (BM), but molecular regulatory mechanism of niches for HSC maintenance remains unclear. The complement C3 cleavage fragments, C3a and C3adesarg, modulate the responsiveness of CXCR4-expressing cell lines to SDF-1. We assessed the effect of the non anaphylatoxic complement fragment, C3adesarg, on SDF-1 responsiveness and engraftment of CB-HSC transplantation in a NOD/SCIDyC- mouse model. Complement breakdown products C3a and C3adesarg both increase the responsiveness of CD34+ cells to SDF-1. We find no evidence for direct interaction of complement fragments with CXCR4. Our data suggest that C3adesarg might contribute to optimize CB-HSC homing to bone marrow, and therefore efficacy of cord blood transplantation. We quantified the number of CXCR4 on the surface of CB-CD34+ after transplantation in mice. Our results showed that there is a transient overexpression of CXCR4 on the surface of HSC CD34+ found in the BM of NOD/SCIDyC- mice after 4-5 days post-injection. This transient overexpression correlated with multiplication of CD34+ cells in the BM. We confirm that the cells with an overexpression of CXCR4 are in a proliferation state. Our data suggested that this transient overexpression is caused by an interaction with the stomal cells.

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Les récepteurs couplés aux protéines G constituent la plus grande famille de protéines membranaires et interviennent dans de nombreux processus physiologiques. La compréhension de l’interaction ligand-récepteur d’un point de vue mécanistique mais également thérapeutique est cruciale. Appartenant à la famille des récepteurs couplés aux protéines G, les récepteurs de la vasopressine et de l’ocytocine ont été choisis comme modèle d’étude. Ces hormones jouent un rôle important dans la modulation de l’attachement et de l’affect chez les mammifères. Afin d’accélérer la découverte de ligands ocytocinergiques et d’explorer les mécanismes fondamentaux de leurs interactions, nous avons conçu les premiers ligands fluorescents non peptidiques des récepteurs de la vasopressine V1a et de l’ocytocine. Ces ligands ont été utilisés pour développer des tests de liaisons par TR-FRET et démontrer la dimérisation des récepteurs de la vasopressine V1a et V2 sur cellules. Des études autour de petites plates-formes dérivées d’aza-dicétopipérazine ont permis d’accéder à un nouvel antagoniste non peptidique du récepteur de l’ocytocine. L’optimisation de dérivés benzodiazépines ocytocinergiques par des études de relations structure-activité a permis d’identifier les meilleurs agonistes non peptidiques du récepteur de l’ocytocine à ce jour. Une étude in vivo chez la souris et chez le singe est amorcée pour apporter dans un futur, une solution thérapeutique aux problèmes d’interaction sociale en général et d’autisme en particulier. / G protein coupled receptors are the largest membrane protein family and play an important role in a large number ofphysiological processes. The comprehension of the ligand-receptor interaction from a mechanistic point of view but alsofor therapeutic use is crucial. Belonging to the G protein coupled receptors, the oxytocin and vasopressin receptors havebeen used as a model system. These two hormones play an important role in the modulation of attachment and affectin mammals. To accelerate the discovery of new ligands for oxytocin and vasopressin receptors and to explore thefundamental role of their interactions, we designed the first non-peptide fluorescent ligands for oxytocin and vasopressin V1a receptors. These ligands have been used to develop new binding tests based on TR-FRET technology and to prove the V1a and V2 receptor dimerisation. In parallel, we developed a new non-peptide oxytocin antagonist around an aza-diketopiperazine platform. . Optimization of benzodiazepine derivatives enables us to identify the best non peptideoxytocin agonists to date. In vivo studies in mice and monkeys are initiated to bring in the future a therapeuticsolution to social interaction problems in general and autism in particular