En plus d'être clivée par les β- et les γ-sécrétases lors du processus amyloïdogénique de la maladie d'Alzheimer, l'APP (Amyloid Precursor Protein) peut également subir un clivage grâce à l'α-sécrétase qui conduit à la libération des fragments d'APP soluble α (sAPPα)(voie non-amyloïdogénique) prévenant ainsi l'accumulation des peptides β-amyloïdes pathogènes. Les études sur le clivage de l'APP par l'α-sécrétase ont montré que l'activité de cette enzyme était constitutive mais aussi régulée. Lors de mon travail de thèse, nous avons montré que l'expression du récepteur de la sérotonine de type 4 (R 5-HT4) favorise la coupure constitutive de l'APP par l'α sécrétase ADAM10 et la libération des fragments non-amyloïdogéniques, sAPPα, aussi bien dans les cellules HEK-293 que dans les neurones corticaux en culture primaire. Ce mécanisme est totalement indépendant de la production d'AMPc, mais reste dépendant d'une interaction entre le R 5-HT4, l'APP et la forme mature de l'ADAM10. Le R 5-HT4, contrairement à d'autres récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) décrits pour promouvoir la libération de sAPPα, est en effet capable d'interagir physiquement avec l'α-sécrétase ADAM10 et son substrat, l'APP. Cette interaction, directe ou indirecte, favorise l'adressage de l'ADAM10 et de l'APP à la membrane plasmique, là où la coupure en α est majoritaire. Toute rétention du R 5-HT4 à l'intérieur de la cellule retient également l'APP et l'ADAM10 sous sa forme inactive et annule la production de sAPPα. La régulation de l'α-sécrétase est toujours dépendante de l'activation du R 5-HT4 par un agoniste. Cet effet étant cette fois dépendant de la voie de signalisation de l'AMPc et de la protéine Epac comme cela avait déjà été démontré. Ces résultats décrivent pour la première fois un mécanisme par lequel un RCPG stimule le clivage constitutif de l'APP par l'α sécrétase et fournit de nouvelles perspectives pour la régulation de l'APP et le contrôle de l'adressage de l'α-sécrétase ADAM10. / In addition to the amyloidogenic pathway of Alzheimer's disease whereby Amyloid Precursor Protein (APP) is cleaved by β- et γ-secretases, the substrate can also be cleaved by α secretases, producing soluble APP alpha (sAPPα)(non-amyloidogenic pathway) and thus preventing the generation of pathogenic Amyloid-beta peptides. Despite, intensive research, the mechanisms regulating APP cleavage by α-secretases remain poorly understood. In this study, we tried to elucidate how 5-HT4Rs stimulate the release of sAPPα. We show that expression of serotonin type 4 receptors (5-HT4Rs) constitutively induces APP cleavage by the α-secretase ADAM10 and release of non-amyloidogenic fragments, sAPPα, in HEK-293 cells and cortical neurons. This effect is fully independent of cAMP production and relies on the transport of the 5-HT4R/APP/mature ADAM10 complex to the plasma membrane. Indeed, 5-HT4Rs but not other G protein-coupled receptors (GPCRs) known to activate sAPPα release, physically interact, directly or indirectly, with ADAM10 and APP to promote their targeting to the plasma membrane. Stimulation of 5 HT4Rs by an agonist further increases sAPPα fragments release and this effect is mediated through cAMP/Epac signalling. These findings describe a new mechanism whereby a GPCR stimulates the cleavage of APP by α-secretases and provide novel insights into the regulation of APP and α-secretase sorting.

Les récepteurs couplés de protéines G (RCPG) sont des capteurs biologiques polyvalents responsables de la majorité des réponses cellulaires aux hormones et neurotransmetteurs ainsi que des sens de la vue, de l'odorat et du goût. La transduction des signaux est associée à un ensemble de changements dans la structure tertiaire des récepteurs entraînant l'activation de partenaires intracellulaires dont les protéines G. La dimérisation est un élément central du mode de fonctionnement des RCPG ; cependant, son influence sur la façon dont le signal est transmis est encore mal définie.Nous avons utilisé ici le récepteur BLT1 du leucotriène B4 comme modèle afin d'analyser les changements de conformation au cours de l'activation. Pour cela, nous avons produit le récepteur suivant une approche qui consiste à l'exprimer dans les corps d'inclusion bactériens puis à le renaturer à l'aide de détergents et/ou surfactants originaux. L'accès au récepteur purifié nous a permis de montrer que la protéine G induit une asymétrie dans les changements de conformation au sein de l'homodimère de BLT1. De plus, nous avons pu établir que l'activation de la protéine G se fait essentiellement par le protomère ayant fixé l'agoniste (cis-activation). Enfin, nous avons montré que la forme monomérique du récepteur est parfaitement capable d'induire l'activation de la protéine G, même si le dimère apporte une modulation de la réponse. Ceci indique qu'un monomère de récepteur possède tous les déterminants moléculaires nécessaires à la transmission du signal. L'ensemble de ces résultats apporte un éclairage nouveau sur la façon dont les dimères de RCPG fonctionnent et peuvent moduler la réponse biologique. / G-protein coupled receptors are versatile biological sensors that are responsible for the majority of cellular responses to hormones and neurotransmitters as well as for the sense of sight, smell and taste. Signal transduction is associated with a set of changes in the tertiary structure of the receptor that are recognized by the associated intracellular partners, in particular the G proteins. There is compelling evidence that GPCR can assemble as dimers but the way these assemblies function at the molecular level is still under investigation.We used here the leukotriene B4 receptor BLT1 as a model to analyze the conformational changes occurring during activation. To this end, we first produced the receptor in E. coli inclusion bodies and subsequently folded it back to its native state in vitro using original membrane mimetics. Using the purified dimeric receptor, we showed that (i) the G protein induces an asymmetric arrangement of the BLT1 homodimer where each of the protomers is in a distinct conformation, and (ii) the G protein is cis-activated, i.e. the protomer that binds the agonist also activates Gα. Finally, we brought evidence that, although the dimer fully activates its G protein partner, the monomer has per se all the molecular determinant for an efficient functioning. All these data are original evidence that sheds light into the way GPCR dimers are activated and in turn modulate G protein-mediated signaling.

La consommation excessive et chronique de sucre est un facteur de risque pour l'apparition de pathologies telles que le diabète de type II ou l'obésité. Une des solutions pour répondre à cet enjeu majeur de santé publique, tout en conservant le plaisir de la saveur sucrée, consiste en l'utilisation d'édulcorants en substitution du sucre. Actuellement, un certain nombre d'édulcorants sur le marché présentent arrière-goût amer ou sont sujets à débat quant à leurs effets sur la santé. Un des objectifs de ces travaux de thèse consiste à proposer de nouveaux édulcorants grâce à des approches rationnelles in silico. Un modèle statistique a été établi sur la base des structures chimiques et a permis d'identifier de nouveaux édulcorants d'origine naturelle. Ensuite, la reconstruction par homologie du récepteur à la saveur sucrée et l'étude des sites de liaison apportent des indices, à l'échelle atomique, qui permettront d'identifier ou même de concevoir de nouveaux édulcorants. L'étude dynamique d'un récepteur de la même famille (Récepteur Couplé aux Protéines G (RCPG) de classe C) a permis d'émettre une hypothèse sur le mécanisme d'activation, phénomène important pour la compréhension de la conversion du signal chimique en signal électrique. / Sugar overconsumption is a risk factor for pathologies such as type II diabetes or obesity. Sweeteners consumption is used to overcome this public health issue. Indeed, they have low caloric value but still preserve the pleasure of sweet taste. Currently, number of sweeteners are commercially available, but they present a bitter aftertaste or there is a debate about their safety. One aim of this work was to propose new intense sweeteners using computational modeling strategies. Through a statistical approach to predict the sweetness based on the chemical structure of already known sweeteners, new natural compounds have been identified. Furthermore, the structural study of the homology model of the sweet taste receptor provides some clues to design new sweeteners. The molecular dynamic study of a class C G-protein coupled receptor gives the first molecular hypothesis of the activation process.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第23113号 / 医科博第124号 / 新制||医科||8(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 萩原 正敏, 教授 篠原 隆司, 教授 上杉 志成 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

La surexpression de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) dans certains cancers est mise à profit en médecine nucléaire pour développer des radioligands capables de diagnostiquer la présence de tumeurs. A titre d’exemple, des analogues de la somatostatine marqués à l’indium-111 (111In-OctreoScan) sont utilisés pour le diagnostic de tumeurs neuroendocrines. L’urotensine II (UII), qui présente des homologies structurales avec la somatostatine, est considérée comme le neuropeptide vasoactif le plus puissant découvert à ce jour. L’UII interagit avec un unique RCPG de très haute affinité appelé UT, classiquement couplé à la voie Gαq/PLC/IP3/Ca2+. L’UII exerce notamment des activités pro-mitotiques et chémoattractantes et une expression élevée de l'UT a été rapportée dans plusieurs types de tumeurs solides humaines provenant des poumons, de l'intestin, de la prostate ou du sein. Ces données suggèrent que l'UT pourrait être une cible prometteuse pour concevoir des analogues urotensinergiques radiomarqués à finalités diagnostiques voire thérapeutiques. Deux analogues urotensinergiques capables de lier des isotopes radioactifs (le DOTA-UII et le DOTA-urantide) ont été synthétisés et radiomarqués avec succès avec l’111In. L'incubation de l’111In-DOTA-UII dans du plasma humain a révélé que seulement 30% du radioligand étaient dégradés après 3 heures d’incubation. L'administration de concentrations croissantes de DOTA-UII et de DOTA-urantide sur des cellules HEK-293 exprimant l'UT induit une augmentation dose-dépendante de la concentration cytosolique de calcium, avec une puissance et une efficacité similaires à celles obtenues avec l'UII (EC50: 1,26 10-8 M et 2,09 10-8 M, UII et DOTA-UII, respectivement) et urantide (EC50: 1,82 10-8 M et 1,52 10-8 M, urantide et DOTA-urantide, respectivement). Alors que la fixation sur l’UT du DOTA-UII ou l’UII entraîne l'internalisation du complexe ligand-récepteur (ELISA et immunocytochimie) dans les cellules HEK-293 exprimant l'UT, l’urantide et le DOTA-urantide restent inactifs. L'injection intraveineuse de l’111In-DOTA-UII chez des souris C57BL/6 a révélé un léger signal principalement restreint dans les reins, indiquant une clairance rapide du peptide. Des résultats similaires ont été obtenus avec des souris dont le gène codant l’UT a été invalidé (mUTS2R-/-) ou des souris exprimant constitutivement la forme humaine de l’UT (mUTS2R-/- hUTS2R+/+). Enfin, l’111In-DOTA-UII a été injecté chez des souris Nudes porteuses de xénogreffes hétérotopiques de cellules humaines A549 (adénocarcinome pulmonaire) ou DLD-1 (adénocarcinome colorectal), exprimant fonctionnellement l’UT, comme nous l’avons préalablement vérifié par analyses western blot, par immunohistochimie et par des tests de migration/prolifération cellulaire. Dans les deux cas, l'imagerie TEMP/TDM n'a toutefois pas révélé de signal exploitable dans les tumeurs, suggérant que la clairance du radioligand est trop importante pour permettre l'accumulation du radiotraceur et la détection des tumeurs. L’ensemble de nos résultats démontre que la conjugaison de DOTA dans les analogues urotensinergiques n'altère pas l'activation de l'UT. Cependant, d'autres investigations sont nécessaires pour diminuer la clairance rénale et améliorer l'imagerie tumorale et ainsi permettre, à terme, de concevoir des radioligands urotensinergiques à finalités diagnostiques voire théranostiques. / Overexpression of G protein-coupled receptors (GPCRs) in tumor is widely used to develop GPCR-targeting radioligands for solid tumor imaging. For example, somatostatin analogue labeled with 111Indium (111In-OctreoScan) is used for the diagnosis of neuroendocrine tumors. The vasoactive neuropeptide urotensin II (UII), which shares structural analogies with somatostatin, interacts with a single high affinity GPCR named UT. High expression of UT has been reported in several types of human solid tumors from lung, gut, prostate or breast, suggesting that UT is a valuable target to design radiolabeled UII analogues for cancer diagnosis. Two urotensinergic analogues (DOTA-UII and DOTA-urantide) both containing the DOTA chelating group capable of complexing radioactive metal isotopes have been synthetized and radiolabeled with 111Indium. Incubation of 111In-DOTA-UII in human plasma revealed that only 30% of the radioligand was degraded after a 3h incubation period. Administration of graded concentrations of both DOTA-UII and DOTA-urantide in the vicinity of HEK293 cells expressing UT induced a dose-dependent increase in cytosolic calcium concentration, with similar potency and efficacy to that obtained with UII and urantide. These results demonstrated that conjugation of DOTA in urotensinergic analogues did not affect UT activation. DOTA-UII was also able to promote UT internalization in HEK293 cells expressing UT, while DOTA-urantide was ineffective. Intravenous injection of 111In-DOTA-UII in C57BL/6 mice revealed a slight signal mostly restricted in kidney, and similar results were obtained with knock-out mice or constitutively expressing human UT mice. Finally, 111In-DOTA-UII was injected into nude mice bearing heterotopic xenografts of human A549 cells (lung adenocarcinoma) or DLD-1 cells (colorectal adenocarcinoma) both expressing functional UT. In both cases, SPECT-CT imaging showed the absence of tumor uptake and significant renal and bladder uptakes, suggesting fast tracer clearance from the organism. However, further investigations will be necessary to decrease renal clearance and to improve tumor imaging.

Kardiovaskuläre Ereignisse bilden die Haupttodesursache in den westlichen Ländern. Mit der Einführung von Clopidogrel, welches am ADP-Rezeptor P2Y12 wirkt, konnte die Mortalität und Morbidität von kardiovaskulären Ereignissen signifikant gesenkt werden. Der P2Y12 gehört als G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) zur größten Gruppe membranständiger Rezeptoren, welche durch ihr ubiquitäres Vorkommen einen idealen Angriffspunkt in der Pharmakotherapie bilden. Zur intelligenten und gezielten Entwicklung von neuen Arzneimitteln bedarf es umfassender Kenntnisse der Struktur- und Wirkungsbeziehung von GPCR. Um den Modellrezeptor P2Y12 strukturell und funktionell zu charakterisieren, wurde eine sättigende Mutagenese in einem funktionell essentiellen Bereich des Rezeptors (Transmembranhelices 6 und 7 sowie 3. extrazellulärer Loop) durchgeführt. Hiermit sollten die Auswirkungen von Punktmutationen auf die Funktionsweise des Rezeptors untersucht werden. Hierfür wurden sättigende Mutantenbibliotheken für 66 Positionen erstellt, wobei jede Aminosäure (AS) durch jede nicht natürlicherweise im humanen P2Y12 vorkommende AS ersetzt wurde (1254 Mutanten). Diese wurden funktionell im Expressionssystem der Hefe Saccharomyces cerevisiae mit steigenden Agonistenkonzentrationen charakterisiert und anhand ihrer Funktionalität klassifiziert. Dabei wiesen 90,8 ± 1,9 % der Rezeptormutanten keine Wildtypeigenschaften auf. Die Auswertung von 77 Wirbeltierorthologen zeigte ebenso eine hohe Konservierung von 90,7 ± 1,5 % pro Position. Im direkten positionalen Vergleich zwischen evolutionären und in vitro Daten konnte eine Übereinstimmung der in vitro und in vivo Daten von 90,2 % gefunden werden. Die funktionellen Daten wurden in eine Online-Mutantendatenbank eingearbeitet und wurden in einem 3D-Rezeptor-Homologiemodell visualisiert. Damit ist der Beweis geführt worden, dass es mit guter Vorhersagewahrscheinlichkeit möglich ist, von evolutionären Daten Rückschlüsse auf die Relevanz von Mutationen zu ziehen.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24525号 / 医博第4967号 / 新制||医||1065(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 渡邊 直樹, 教授 中川 一路, 教授 秋山 芳展 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Neurons commonly have a primary cilium, which is a non-motile organelle extending from the centrosome into the extracellular space. In most brain regions, neuronal cilia are enriched in either somatostatin receptor type 3 (SstR3) or melanin concentrating hormone receptor type 1 (MCHR1), or both. The present immunohistochemical study provides novel evidence that primary cilia regulate neuronal excitability via G-protein coupled receptors (GPCRs), and that their identity is governed by brain region and by competition, both in adulthood and in postnatal development. The hippocampus, which is particularly vulnerable to seizures, has opposing gradients of SstR3(+) and MCHR1(+) ciliary GPCRs. We hypothesized that there is a competition between these two ciliary GPCRs, which might take place on any level from gene expression to presence in the cilium. We examined whether receptor colocalization occurs transiently in development before ciliary GPCR dominance is established in neurons in the CNS. In postnatal CA1 and CA3, the first GPCR to appear in cilia was the one that will dominate in adults: MCHR1 in CA1 and SstR3 in CA3. Some days later, the second GPCR was expressed along with the first; dual-receptor cilia were the exclusive type until single-receptor cilia emerged again around P14. Single-receptor cilia then increased in numbers through adulthood. By identifying ciliary receptors that modulate seizure activity in mice, the present study lays a foundation for therapeutic approaches to reduce neuronal excitotoxicity underlying cell death in epilepsy, CNS injury, and neurodegenerative diseases.

The adhesion G protein–coupled receptor (aGPCR) GPR126/ADGRG6 plays an important role in several physiological functions, such as myelination or peripheral nerve repair. This renders the receptor an attractive pharmacological target. GPR126 is a mechano-sensor that translates the binding of extracellular matrix (ECM) molecules to its N terminus into a metabotropic intracellular signal. To date, the structural requirements and the character of the forces needed for this ECM-mediated receptor activation are largely unknown. In this study, we provide this information by combining classic second-messenger detection with single-cell atomic force microscopy. We established a monoclonal antibody targeting the N terminus to stimulate GPR126 and compared it to the activation through its known ECM ligands, collagen IV and laminin 211. As each ligand uses a distinct mode of action, the N terminus can be regarded as an allosteric module that can fine-tune receptor activation in a context-specific manner.

The function of G protein-coupled receptors is intrinsically linked to their conformational dynamics. In conjugation with site-directed spin labeling, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy provides powerful tools to study the highly dynamic conformational states of these proteins. Here, we explored positions for nitroxide spin labeling coupled to single cysteines, introduced at transmembrane, intra- and extra-cellular sites of the human neuropeptide Y2 receptor. Receptor mutants were functionally analyzed in cell culture system, expressed in Escherichia coli fermentation with yields of up to 10 mg of purified protein per liter expression medium and functionally reconstituted into a lipid bicelle environment. Successful spin labeling was confirmed by a fluorescence assay and continuous wave EPR measurements. EPR spectra revealed mobile and immobile populations, indicating multiple dynamic conformational states of the receptor. We found that the singly mutated positions by MTSL ((1-oxyl-2,2,5,5-tetramethyl-2,5-dihydro-1H-pyrrol-3-yl) methyl methanesulfonothioate) have a water exposed immobilized conformation as their main conformation, while in case of the IDSL (bis(1-oxyl-2,2,5,5-tetramethyl-3-imidazolin-4-yl) disulfide) labeled positions, the main conformation are mainly of hydrophobic nature. Further, double cysteine mutants were generated and examined for potential applications of distance measurements by double electron–electron resonance (DEER) pulsed EPR technique on the receptor.