Les récepteurs 5-HT2A de la sérotonine et mGlu2 du glutamate suscitent un grand intérêt vu la dérégulation des deux récepteurs observée dans la schizophrénie et leur statut de cibles des antipsychotiques dits atypiques et de nouvelle génération, respectivement. Même si les antipsychotiques atypiques ciblant le récepteur 5-HT2A ont montré une efficacité contre les symptômes positifs, leur effet reste très limité contre les symptômes négatifs et cognitifs, et leurs effets secondaires nombreux. Depuis les années 1990, une nouvelle classe d’antipsychotiques ciblant le système glutamatergique, en particulier le récepteur mGlu2, est en développement. Les tests cliniques n’ont montré leur efficacité que pour les patients n’ayant pas été traités auparavant par des antipsychotiques atypiques. Ceci suggère une interaction fonctionnelle forte entre les récepteurs 5-HT2A et mGlu2 dans le mode d’action de ces deux classes d’antipsychotiques. De plus, plusieurs études ont démontré l’existence d’un hétéromère des deux récepteurs dans le cortex préfrontal qui semble important pour la réponse aux hallucinogènes et aux antipsychotiques ciblant l’un ou l’autre récepteur. Ainsi, étant donné l’impact du profil de phosphorylation adopté par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sur leur fonction, j’ai caractérisé au cours de ma thèse l’impact de la co-expression du récepteur 5-HT2A sur le profil de phosphorylation du récepteur mGlu2 en réponse à différentes stimulations. Parmi les 5 sites de phosphorylation identifiés, la phosphorylation de la Ser843 est potentialisée en réponse à la stimulation par un agoniste du récepteur mGlu2 uniquement lorsque le récepteur 5-HT2A est co-exprimé. Ces résultats ont été validés grâce à la génération d’un nouvel anticorps dirigé spécifiquement contre la forme phosphorylée de la Ser843 sur culture cellulaire HEK-293 et in vivo dans le cortex préfrontal de souris, région où les deux récepteurs sont co-exprimés. Des études fonctionnelles ont démontré que la phosphorylation de la Ser843 est nécessaire à la potentialisation de l’activité Gi/o du récepteur mGlu2 en réponse à ses agonistes et constitue un cross-talk fonctionnel entre les deux récepteurs puisque les agonistes du récepteur 5-HT2A stimulent également la phosphorylation de la Ser843 du récepteur mGlu2. Ainsi, mes résultats de thèse ont permis d’identifier la phosphorylation du récepteur mGlu2 sur la Ser843 comme un événement moléculaire clé du cross-talk fonctionnel avec le récepteur 5-HT2A et apporte un élément important dans la compréhension du mode d’action des antipsychotiques atypiques et de nouvelle génération. / The serotonin 5-HT2A and glutamate mGlu2 receptors keep on attracting particular attention given their implication in psychosis associated with schizophrenia and in the mechanism of action of atypical antipsychotics and of a new class of antipsychotics, respectively. Though atypical antipsychotics, targeting 5-HT2A receptor, are efficient against positive symptoms, these drugs do not act against negative, cognitive symptoms and display many side effects. Since the 90’s, new classes of antipsychotics triggering glutamatergic system, in particular mGlu2 receptor, have been developed. Their clinical trials have shown efficacy only in patients who have not been previously treated with atypical antipsychotics. This suggests a strong interaction between 5-HT2A and mGlu2 receptors in the mechanism of action of both classes of antipsychotics. Moreover, a large body of evidence indicates the presence, in prefontal cortex, of 5-HT2A/mGlu2 heteromer that is important for the response to hallucinogens and antipsychotics targeting one receptor or the other. Thus, in view of the importance of the phosphorylation profile adopted by G-protein coupled receptor (GPCR) on their activity, I characterized the impact of 5-HT2A receptor co-expression on the phosphorylation profile of mGlu2 receptor in response to various stimulations. Among the five identified phosphorylated residues, the phosphorylation of Ser843 increases upon mGlu2 receptor stimulation only when the 5-HT2A receptor is co-expressed. A new antibody against the phosphorylated form of Ser843 confirmed these results in HEK-293 cells and in mouse prefrontal cortex, area where both receptors are co-expressed. Functional studies demonstrated that Ser843 phosphorylation is necessary to enhance Gi/o signaling of mGlu2 receptor and constitutes a functional crosstalk between 5-HT2A and mGlu2 receptor since 5-HT2A receptor agonists also stimulate Ser843 phosphorylation. Collectively, my thesis findings identify mGlu2 receptor phosphorylation at Ser843 as a key molecular event of the functional crosstalk with 5-HT2A receptor that might be critical to understand the mechanism of action of atypical and potential future antipsychotics treatments.

Le maintien d'un potentiel de membrane de repos négatif est à la base de l'excitabilité neuronale. Ce potentiel négatif est généré par un courant de fuite de potassium induit par les canaux potassiques à deux domaines pore (K2P). Ils se sont révélés impliqués dans de nombreux mécanismes physiologiques et physiopathologiques tels que la dépression, la neuroprotection contre les ischémies, l'anesthésie, la migraine et la perception de la douleur. L'hétéromultimérisation est un mécanisme couramment utilisé dans la nature pour augmenter la diversité fonctionnelle des complexes protéiques. Par exemple, avec 15 gènes classés en 6 sous-familles, les canaux K2P pourraient générer 120 combinaisons et, en théorie, chacune d’elles possèderait des caractéristiques bien distinctes. Ici, nous avons d’abord étudié la capacité des membres de la même sous-famille K2P (sous-famille TREK) à s’assembler pour former des hétéromères fonctionnels dotés de nouvelles propriétés. En alliant l’optopharmacologie, une technique de précipitation de molécules uniques (SiMPull) et une technique de co-localisation à l’échelle de la molécule unique à la membrane plasmique, nous avons déterminé l’existence ainsi que la stœchiométrie des complexes créés entre TREK1, TREK2 et TRAAK. Nous avons caractérisé fonctionnellement les hétérodimères et avons constaté qu'ils formaient tous des canaux sélectifs au potassium rectifiant vers l'extérieur avec une sensibilité à la tension et aux pH variables. Ayant constaté que l’hétéromérisation est possible dans la même sous-famille, nous nous demandons si cela peut être fait entre membres de familles différentes et quelles pourraient en être les conséquences pathophysiologiques. Nous avons trouvé que TREK1 et TREK2 sont capable d’hétéromériser avec le canal plus distant TRESK, un canal K2P impliqué dans la migraine. Chez l'homme, la mutation TRESK-MT, une délétion de 2 paires de base (F139WfsX24) qui induit la formation de TRESK-MT1, un dominant négatif de TRESK, a été corrélé à la migraine. De manière surprenante, nous avons découvert que cette délétion induit un site alternatif de traduction (fsATI), menant à la formation d’un second fragment de TRESK, TRESK-MT2 qui s’assemble spécifiquement avec TREK1 et TREK2. Cet assemblage induit l’extinction des courants TREK, ce qui va augmenter l’excitabilité des neurones trijumeaux, une composante clé dans l’induction de la migraine, à l’origine du phénotype migraineux observé. Ensemble, ces résultats démontrent que l’hétéromérisation des canaux K2P n’est pas rare et doit être considérée pour comprendre leurs fonctions pathophysiologiques. Enfin, les analyses génétiques des mutations liées à des pathologies devraient désormais prendre en compte les fsATI. / Maintenance of a negative resting membrane potential underlies the basis of neuronal excitability. This negative potential is generated by a potassium leak current mediated by two-pore-domain potassium channels (K2P). Over the years, they have been shown to be involved in many physiological and pathophysiological mechanisms such as depression, neuroprotection, anesthesia, migraine and pain perception. Heteromultimerization is a mechanism commonly used to increase the functional diversity of protein complexes. For example, with 15 genes classified in 6 subfamilies, the K2P channel family can potentially generates 120 combinations and, in theory, each of them would show different functional properties. Here, we first investigated the ability of the members from the same K2P subfamily (TREK subfamily) to assemble and form functional heteromeric channels with novel properties. Using single molecule pulldown (SiMPull) from HEK cell lysates, subunit counting in the plasma membrane of living cells and opto-pharmacology, we show that the TREK channel members TREK1, TREK2, and TRAAK readily co-assemble. We functionally characterized the heterodimers and found that all combinations form outwardly rectifying potassium-selective channels but with variable voltage sensitivity and pH regulation. Having found that heteromerization is possible within the same subfamily we wonder if it can happen between members from different subfamilies with lower sequence homology and what could be the pathophysiological consequences. We found that TREK1 and TREK2 are able to heterodimerize with the distantly-related TRESK, a two-pore-domain K+ channel implicated in migraine. Notably, in humans, TRESK-MT, a 2 bp frameshift mutation (F139WfsX24), which induced the formation of TRESK-MT1 a dominant negative for TRESK, was found to perfectly segregate with typical migraine in a large pedigree. Strikingly, we found that the 2 bp frameshift mutation induced an alternative translation initiation (fsATI) which leads to the translation of a second TRESK fragment, termed TRESK-MT2. We show that by co-assembling with and inhibiting TREK1 and TREK2, TRESK-MT2 increases trigeminal sensory neuron excitability, a key component of migraine induction, leading to a migraine-like phenotype. Together these findings demonstrate that K2P heteromerization is not rare and needs to be considered to understand their pathophysiological functions and that genetic analysis of disease-related mutations should consider fsATI as a distinct class of mutations.

Les canaux ioniques sont exprimés dans tous les types cellulaires, des plantes à l’Homme, où ils sont impliqués dans de nombreux processus physiologiques. Parmi ces canaux, les canaux potassiques à deux domaines pore ou K2P forment des dimères qui produisent des courants de fond, contrôlant le potentiel de repos de la membrane et ainsi l’excitabilité cellulaire. De ce fait, ils jouent un rôle dans de nombreuses fonctions physiologiques et pathophysiologiques telles que la respiration, la nociception ou la dépression et sont de plus en plus considérés comme des cibles thérapeutiques intéressantes pour le traitement de ces pathologies. La structure de ces canaux est une caractéristique importante à considérer pour le développement de nouveaux médicaments mais les mécanismes et les régulations qui contrôlent leur activité sont peu connus.Durant mon doctorat, nous avons démontré que les canaux K2P, en particulier les sous-familles THIK et TREK, peuvent s’assembler avec un autre canal de la même sous-famille pour former un hétérodimère fonctionnel. Nous avons tout d’abord prouvé que les canaux interagissent physiquement en combinant biochimie, immunocytochimie, FRET ainsi que l’électrophysiologie. De manière intéressante, les hétérodimères ont des conductances, des régulations et une sensibilité aux agents pharmacologiques différentes de celles des canaux homodimères.Ces études montrent que la famille des canaux K2P est plus étendue et diversifiée que ce qu’il avait été attendu. La combinaison de ces canaux au sein de la même sous-famille permet de créer de nouveaux canaux fonctionnels aux propriétés originales et donc de nouvelles cibles thérapeutiques / Potassium channels are highly conserved among organisms, from plants to humans, where they are involved in several functions. Among them, the two pore domain potassium channels or K2P channels are dimers that produce background channels to control membrane resting potential and thus cell excitability. They are involved in physiological functions and diseases such as breathing, nociception or depression. They are now more and more considered as important therapeutic targets for the development of new drugs targeting these diseases. Structure-function relationship of ion channels is an important feature for the drug design but we only know little about mechanisms and regulations that control the activity of K2P channels.During my PhD, we showed that K2P channels and particularly subunits of THIK and TREK subfamilies channels can also form functional heterodimers with other subunits of the same subfamily. We first proved that subunits physically interact combining biochemistry, immunocytochemistry, FRET and electrophysiology. Interestingly, heterodimers display specific conductances, regulations and pharmacology compared to homodimers.These studies showed that the diversity and number of K2P channel conductances are larger than expected. In conclusion, mixing among subunits from the same subfamily form new channels with unique properties and so new therapeutic targets

Le récepteur de chimiokine CXCR3 est un récepteur couplé à la protéine G (RCPG) exprimé, entre autre, sur les cellules T activées lors d’une réponse immune. CXCR3 est activé par trois ligands inductibles par l’interféron-γ (CXCL9, 10, 11) et, plus récemment, il a été découvert que CXCL4 liait CXCR3. Nous savons que CXCR3 joue un rôle dans la chimiotaxie des leucocytes, mais peu d’attention a été portée sur la signalisation biaisée induite par ces quatre ligands. Alors que l’homodimérisation entre récepteurs de chimiokine est un concept grandement observé, l’hétéromérisation entre deux récepteurs reste un domaine de recherche active. La signalisation biaisée et l’hétéromérisation ont été testées grâce à la technique de bioluminescene resonance energy transfer (BRET) dans des cellules HEK293E. Nous présentons une caractérisation pharmacologique des quatre ligands de CXCR3 et démontrons l’hétéromérisation de CXCR3 avec CXCR4 et avec CXCR7. Nos résultats suggèrent que les ligands de CXCR3 n’agissent pas de manière redondante. / The chemokine receptor CXCR3 is a G-protein-coupled receptor (GPCR) rapidly induced on naïve T cells upon activation. CXCR3 is activated by three interferon-γ inducible ligands (CXCL9, 10, 11) and, more recently, CXCL4 has been discovered as a functional ligand for CXCR3. It is known that CXCR3 acts as a chemotactic receptor, but limited attention has been directed to the biased signaling induced by all four ligands. Chemokine receptor homodimerization is now a widely accepted concept, but the extent to which heterodimerization is prevalent remain matter of active research. In this work, biased signalling and heterodimerization were assessed with bioluminescence resonance energy transfer (BRET) in HEK293E cells. We present pharmacological characterization of all four ligands of CXCR3 and heterodimerization of CXCR3 with CXCR4 or CXCR7. Our results suggest that CXCR3 ligands are not redundant and that CXCR3 heterodimerizes with CXCR4 and with CXCR7.

Les canaux potassiques à deux domaines pore sont impliqués dans un grand nombre de mécanismes physiopathologiques. Lors de ma thèse je me suis intéressé à la sous famille TREK dont les membres, TREK-1, TREK-2 et TRAAK jouent un rôle dans la nociception, la dépression et la neuroprotection. Leur activité est finement régulée par des stimuli physicochimiques (Température, étirement, pH), pharmacologiques (anesthésiques volatils, fluxétine,…) et physiologiques (GPCR). Lors de ma thèse je me suis intéressé à deux nouveaux modes de régulation de ces canaux ainsi qu'à leur diversité combinatoire. Tout d'abord j'ai mis en évidence que la phospholipase D2, en interagissant avec TREK1, produit un microenvironnement riche en acide phosphatique qui va potentialiser le canal. Cette régulation explique comment un second messager peut spécifiquement réguler un canal ainsi que la sensibilité de TREK-1 à l'alcool. La seconde étude a porté sur l'hétérodimérisation des membres de la sous-famille TREK. Nous avons mis en évidence grâce à des techniques en molécule unique que les sous-unités TREK-1, TREK-2 et TRAAK peuvent hétérodimériser entre elles. Elles forment ainsi des canaux avec de nouvelles propriétés comme une sensibilité particulière au pH. Enfin j'ai étudié le mécanisme d'action d'une toxine, la mycolactone, sur le canal TRAAK. Nous avons montré que cette toxine est impliquée dans le l'hyperpolarisation des fibres nociceptives induisant une analgésie. Cela étant dû à l'activation du canal TRAAK via le récepteur à l'angiotensine II de type 2. La seconde partie du projet a consisté à caractériser la voie de signalisation non canonique induite par la mycolactone / Two pore potassium channel play a key role in the answers of cells of intra and extracellular signals. I have focus my PhD on the study of sub family TREK (TREK-1, TREK-2 and TRAAK). They involved in the nociception, the depression and the neuroprotection. The activity of this channels is finely tuned by several stimuli i) physicals agents like temperature and mechanical stree, ii) chemicals agents like intra and extracellular pH and phospholipids, iii) pharmacological agents like volatile anesthetics, and iv) neurotransmitters via the G protein–coupled receptor. During my PhD I have worked on two new regulation of this channel and are capacity to make heterodimer. In a first time I discovers that TREK-1 interacted with the phospholipase D2 that permit the local production of phosphatidic acid (PA). This made a PA rich microenvironment, this last will tonicaly potentiate the basal activity of the channel. This mechanism explain have a second massager can specifically regulate a channel and how TREK-1 is sensitive to ethanol. In a second time I have work on the heteromerisation of the sub family TREK. With the single molecule technics we have shown that TREK-1, TREK-2 and TRAAK can heterodimerize. This mechanism increase the functional diversity of the family. To finish I have study the action of the toxin mycolacton on the TRAAK channel. We have shown that the mycolacton induce the hyperpolarization of nociceptive nerfs. This is due to the activation of TRAAK channel by the toxin via the angiotensin 2 receptor type II. Next I have shown that the mycolacton induce a non-canonical pathway. This is independent of G-proteins and spatially restricted by a direct interaction between TRAAK and AT2R