G-protein coupled receptors (GPCRs) have been shown to act as part of GPCR associated protein complexes (GAPCs) which are required to appropriately transduce downstream signaling pathways leading to specific cellular actions. I hypothesize that there are distinct molecular effectors that couple to the glucagon superfamily of B-class GPCRs (glucagon, GLP-1, GLP-2, GIP receptors) to effect the myriad of reported actions in numerous target cells including regulation of insulin secretion, intestinal growth and appetite suppression. GLP-1R, GIPR, GLP-2R and GCGR were screened using a newly developed membrane-based split-ubiquitin yeast two-hybrid (MYTH) system to reveal 181 novel candidate protein interactors associated with signal transduction, transport, metabolism and cell survival. Each candidate was validated using yeast two-hybrid prey retransformation tests and by co-purification to confirm coupling to each receptors. The present work is the first demonstration of a split-ubiquitin interaction screen using in situ membrane expressed GPCRs of the secretin-like B class.

G-protein coupled receptors (GPCRs) have been shown to act as part of GPCR associated protein complexes (GAPCs) which are required to appropriately transduce downstream signaling pathways leading to specific cellular actions. I hypothesize that there are distinct molecular effectors that couple to the glucagon superfamily of B-class GPCRs (glucagon, GLP-1, GLP-2, GIP receptors) to effect the myriad of reported actions in numerous target cells including regulation of insulin secretion, intestinal growth and appetite suppression. GLP-1R, GIPR, GLP-2R and GCGR were screened using a newly developed membrane-based split-ubiquitin yeast two-hybrid (MYTH) system to reveal 181 novel candidate protein interactors associated with signal transduction, transport, metabolism and cell survival. Each candidate was validated using yeast two-hybrid prey retransformation tests and by co-purification to confirm coupling to each receptors. The present work is the first demonstration of a split-ubiquitin interaction screen using in situ membrane expressed GPCRs of the secretin-like B class.

PKCe plays a very important role in mediating the protection against myocardial ischemia and reperfusion injury induced by ischemic preconditioning (IPC) and pharmacologic preconditioning (PPC). The redistribution of PKCe was assessed by subcellular fractionation and western blotting in the Langendorff-perfused rabbit heart. Either 5min ischemia or 5min administration of adenosine A1 and/or A3 agonists, bradykinin, angiotensin II, and d1-opioid agonists resulted in PKCe redistribution from the cytosol to the mitochondria. This effect of IPC on PKCe redistribution was visible up to at least 30min of reperfusion, while that of PPC was lost by 10min of drug washout, indicative of the transient nature of PKCe redistribution. PKCe redistribution to mitochondria by IPC was also visualized using immunogold electron microscopy. Thus, IPC and PPC caused PKCe redistribution from the cytosol to the mitochondria, which was longer-lasting in IPC than in PPC.

PKCe plays a very important role in mediating the protection against myocardial ischemia and reperfusion injury induced by ischemic preconditioning (IPC) and pharmacologic preconditioning (PPC). The redistribution of PKCe was assessed by subcellular fractionation and western blotting in the Langendorff-perfused rabbit heart. Either 5min ischemia or 5min administration of adenosine A1 and/or A3 agonists, bradykinin, angiotensin II, and d1-opioid agonists resulted in PKCe redistribution from the cytosol to the mitochondria. This effect of IPC on PKCe redistribution was visible up to at least 30min of reperfusion, while that of PPC was lost by 10min of drug washout, indicative of the transient nature of PKCe redistribution. PKCe redistribution to mitochondria by IPC was also visualized using immunogold electron microscopy. Thus, IPC and PPC caused PKCe redistribution from the cytosol to the mitochondria, which was longer-lasting in IPC than in PPC.

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.

Gamma-aminobutyric acid (GABA) and short neuropeptide F (sNPF) are widespread signalling molecules in the brain of insects. In order to understand more about the signalling and to some extent start to unravel the functional roles of these two substances, this study has examined the locations of the transmitters and their receptors in the brain of the fruit fly Drosophila melanogaster using immunocytochemistry in combination with Gal4/UAS technique. The main focus is GABA and sNPF in feeding circuits and in the olfactory system. We found both GABA receptor types in neurons in many important areas of the Drosophila brain including the antennal lobe, mushroom body and the central body complex. The metabotropic GABAB receptor (GABABR) is expressed in a pattern similar to the ionotropic GABAAR, but some distribution differences can be distinguished (paper I). The insulin producing cells contain only GABABR, whereas the GABAAR is localized on neighbouring neurons. We found that GABA regulates the production and release of insulin-like peptides via GABABRs (paper II). The roles of sNPFs in feeding and growth have previously been established, but the mechanisms behind this are unclear. We mapped the distribution of sNPF with antisera to the sNPF precursor and found the peptide in a large variety of interneurons, including the Kenyon cells of the mushroom bodies, as well as in olfactory sensory neurons that send axons to the antennal lobe (paper III). We also mapped the distribution of the sNPF receptor in larval tissues and found localization in six median neurosecretory cells that are not insulin-producing cells, in neuronal branches in the larval antennal lobe and in processes innervating the mushroom bodies (paper IV). In summary, we have studied two different signal substances in the Drosophila brain (GABA and sNPF) in some detail. We found that these substances and their receptors are widespread, that both sNPF and GABA act in very diverse systems and that they presumably play roles in feeding, metabolism and olfaction. / At the time of doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.

Depuis des années, l’imagerie TEP des récepteurs 5-HT1A a permis une compréhension accrue du rôle physiopathologique de ces récepteurs. Toutefois les radiotraceurs actuels ne permettent pas d’évaluer le couplage entre récepteurs 5-HT1A et protéines G, susceptible d’être altéré au cours de pathologies. Les travaux effectués au cours de cette thèse visent à promouvoir l’utilisation de techniques d’imagerie translationnelles pour explorer le couplage des récepteurs 5-HT1A in vivo. La première partie a consisté à évaluer un agoniste des récepteurs 5-HT1A, le F13640, comme potentiel radiotraceur TEP. L’ensemble des résultats suggère que le [18F]F13640 est spécifique des récepteurs 5-HT1A couplés, avec des propriétés inédites par rapport aux radiotraceurs classiques.La deuxième partie a consisté à évaluer l’intérêt de l’imagerie des récepteurs 5-HT1A couplés. Les variations de densité de récepteurs couplés et totaux ont été comparées en autoradiographie postmortem au cours de la maladie d’Alzheimer. La fixation du [18F]F13640 dans l’hippocampe est diminuée dès les premiers stades, tandis que la fixation du [18F]MPPF n’est réduite qu’aux stades avancés. Ces observations démontrent la complémentarité entre traceurs agonistes et antagonistes des récepteurs 5-HT1A en imagerie TEP.La dernière partie s’est focalisée sur le concept d’agonisme biaisé, impliquant la possibilité de cibler différentes populations de récepteurs 5-HT1A en fonction de leur couplage aux protéines G. Le F13640 a été comparé au F15599 à doses pharmacologiques en imagerie TEP et en IRMf. Chez le rat, ces deux agonistes produisent des réponses hémodynamiques et métaboliques différentes. Chez le chat, ils diffèrent également en termes d’occupation des récepteurs et de réponse hémodynamique conséquente. L’ensemble des données est en faveur d’une stimulation préférentielle des récepteurs postsynaptiques par le F15599 par rapport aux autorécepteurs, contrairement au F13640 / Since the 1990s, PET imaging of 5-HT1A receptors has led to an increased understanding of the pathophysiological role of these receptors. However, the coupling between 5-HT1A receptors and G-proteins, which may be altered during pathologies, cannot be explored using current radiotracers. The work carried out in this thesis aims to promote the use of translational imaging techniques to explore the coupling of 5-HT1A receptors in vivo. In the first part, we evaluated the 5-HT1A receptor agonist F13640 as a PET radiotracer candidate. Taken together, the results suggest that [18F]F13640 binds specifically to coupled 5-HT1A receptors and displays novel properties and distribution pattern compared to classical 5-HT1A radiotracers. The second part was a proof-of-concept study regarding the interest of coupled 5-HT1A receptors imaging. Densities of coupled and total receptors were compared in postmortem autoradiography during Alzheimer’s disease. [18F]F13640 binding in hippocampus was decreased in the early stages, whereas [18F]MPPF binding was reduced in the advanced stages only. These results confirm the complementarity between 5-HT1A receptor agonists and antagonist tracers in PET imaging.In the last part we focused on the concept of biased agonism, which implies the possibility of targeting different populations of 5-HT1A receptors depending on their coupling with G-proteins. F13640 and F15599 were compared at pharmacological doses using PET and fMRI imaging. The two agonists produce different hemodynamic and metabolic responses in rat brain. They also differ in cat brain in terms of receptor occupancy and subsequent hemodynamic responses. Taken together, the results are consistent with a preferential stimulation of postsynaptic receptors over autoreceptors for F15599, in contrast with F13640

Les RCPG sont exprimés dans tous types de tissus et sont impliqués dans la régulation de nombreux processus biologiques et ont pour rôle de capter un vaste panel de stimuli extracellulaires qu’ils transmettent à l’intérieur de la cellule. Récemment, le laboratoire a identifié une nouvelle famille de dix protéines, les GASP, qui interagissent avec les RCPG et moduleraient leur trafic intracellulaire. Alors que GASP-1 est le membre de cette famille le mieux caractérisé et que son interaction avec de nombreux RCPG soit documentée, peu d’informations sont disponibles sur les modalités d’interaction de cette protéineavec les RCPG au niveau moléculaire. La première partie de ce projet de thèse a consisté à étudier les modalités d’interaction entre les GASPs et les RCPG au niveau moléculaire. Nous avons ainsi pu montrer à l’aide de techniques biochimiques et biophysiques, l’importance d’un motif répété et conservé de 15 acides aminés pour l’interaction de GASP-1 avec divers RCPG. Par la suite, les résultats obtenus ont été exploités pour mettre en place un essai de criblage qui nous a permis d’identifier des petites molécules capables de perturber l’interaction entre GASP-1 et le récepteur beta-2 adrénergique. Enfin, l’absence de données structurales sur les protéines de la famille GASP nous a ensuite poussé à la réalisation d’études structurales de ces protéines à la fois par cristallographie et par RMN. Bien que les résultats obtenus ne nous aient pas encore permis d’obtenir la structure de ces protéines, des expériences préliminaires de RMN ont permis deconfirmer l’implication des acides aminés tryptophanes présents au sein des motifs GASP dans l’interaction avec les RCPG. / GPCRs represent one of the most diversified protein families in humans. They translate extracellular stimuli into intracellular signals to modulate a large panel of physiological processes making them unrivalled targets for development of new therapeutic agents. Recently, we identified the GASP family of proteins that interact with GPCRs and modulate the postendocyticfate of agonist activated receptors. GASP-1 is the well-characterized protein of this family and has been shown to be involved in the sorting of receptors that are quickly degraded following agonistpromoted internalization. Although GASP-1 was found to interact with numerous GPCR both in vitro and in vivo and that helix 8 of GPCRs is critically involved in this interaction, little is known about which region within GASP-1 is required for its interaction with GPCRs. In this work, we first present a detailed analysis of the molecular interaction between GASPs and GPCRs. By using biochemical and biophysical experiments we shown that the central domain of GASP-1 is critical for the interaction with GPCRs and that a conserved and repeated sequence of 15 amino acids plays a critical role in this interaction. In a second step, we developed an HTC assay allowing us to identify small molecules able to disrupt the interaction between GASP-1 and the beta-2 adrenergic receptor. Finally, preliminary NMR experiments have confirmed the importance of amino acid tryptophan for the interaction with GPCRs and a first crystallization trials were performed with a fragment of GASP -1.

Dans le but d’étudier le rôle fonctionnel des neuropeptides chez la drosophile, nous avons essayé d’utiliser le récepteur µ aux opioïdes (MOR) afin d’inhiber temporairement la libération de neuropeptides. Cependant, quand nous l’avons exprimé dans les cellules endocrines produisant l’hormone adipokinétique (AKH), le récepteur MOR a présenté une activité constitutive empêchant tout contrôle dans le temps. Nous proposons d’utiliser les récepteurs RASSL (Receptors Activated Solely by Synthetic Ligands) développés chez les vertébrés. Ces récepteurs, activés uniquement par des ligands synthétiques, ont été modifiés afin qu’ils soient dénués d’activité constitutive. Afin de tester rapidement l’efficacité d’un récepteur RASSL inhibiteur chez la drosophile, nous avons cherché une alternative à la mesure des taux de tréhalose et de glycogène (démontrant la libération d’AKH) qui en plus d’être laborieuse produit des résultats variables. L’hormone GPA2/GPB5, récemment découverte, est particulièrement intéressante, en effet, elle semble avoir un rôle antidiurétique. Nous avons généré des lignées transgéniques exprimant la protéine Gal4 dans les cellules GAP2/GPB5 et nous avons montré que l’ablation génétique de ces cellules compromet la survie suggérant qu’elles pourraient représenter un bon système pour tester l’efficacité du RASSL inhibiteur. Ensuite nous nous sommes intéressés au contrôle de la libération du neuropeptide AKH qui a un rôle fonctionnel homologue à celui du glucagon des vertébrés. Malgré quelques résultats encourageants, nous n’avons pas pu confirmer le rôle inhibiteur de l’AstA sur la libération de l’AKH. Enfin nous nous sommes intéressés au réseau qui contrôle le comportement de cour. Nous avons généré des lignées transgéniques exprimant la protéine Gal4 sous la dépendance du promoteur potentiel du récepteur du neuropeptide SIFamide (SIFR) et nous avons démontré que ce neuropeptide contrôle le comportement de cour via son récepteur SIFR en agissant, du moins en partie, sur les neurones fruitless. / In order to study the functional roles of neuropeptides in Drosophila, I attempted to use the µ opioïd receptor (MOR) to temporarily inhibit liberation of neuropeptides. However, when expressed in the AKH (adipokinetic hormone) endocrine cells of Drosophila, MOR turned out to be constitutively active, making it impossible to use it as envisioned. Others have encountered and subsequently solved similar problems for the so-called RASSL (Receptors Activated Solely by Synthetic Ligands) in vertebrates. As the bioassay for testing release of AKH is cumbersome, time-consuming and variable, I searched for an alternative neuroendocrine system to test the efficiency of an inhibitory RASSL in Drosophila. The recently discovered GPA2/GPB5 seemed particularly attractive, as it is likely an antidiuretic hormone. Transgenic flies expressing Gal4 in the GPA2/GPB5 were produced and genetic ablation of these cells severely compromised survival, suggesting that this might indeed be good model system. Attempts so demonstrate a physiological role of allatostatin A in the release of AKH yielded inconclusive results. In order to study the role of the neuropeptide SIFamide, which modulates sexual behavior in Drosophila, I generated transgenic flies expressing Gal4 under dependence of potential promoter of this neuropeptide receptor (SIFR) and showed that SIFamide controls courtship at least in part by acting directly on fruitless neurons.

The D1-class receptors (D1R, D5R) each possess distinct signaling characteristics; however, pharmacological selectivity between them remains elusive. The third intracellular loops (IL3) of D1R and D5R harbour divergent residues that may contribute to their individual signalling phenotypes. Here we probe the function of central region of IL3 of D1R and D5R using deletion mutagenesis. Radioligand binding and whole cell cAMP assays suggest that the N-terminal and C-terminal moieties of the central IL3 oppositely contribute to the constitutive and agonist-dependant activity of D1-Class receptors. Whereas the N-terminal deletions ablated constitutive activity and decreased DA-induced activation, C-terminal deletions induced robust increases. These data, interpreted in concert with structural predictions generated from homology modeling implicate the central IL3 as playing an important role in the activation and subtype-specific characteristics of the D1-class receptors. This study may serve as a basis for the development of novel drugs targeting the central IL3 region.