Dans le cœur, l’activation aiguë de la voie AMPc/PKA via la stimulation des récepteurs β-adrénergiques (β-ARs) permet de réguler la contraction cardiaque alors que l’activation chronique de cette voie est délétère, car elle est source de survenue d’arythmies cardiaques et de remodelage hypertrophique du cœur. Au niveau des cardiomyocytes, Il existe principalement deux sous-types de récepteurs β-ARs ; β1- et β2-ARs, qui exercent des effets différents sur la fonction cardiaque.Dans une première partie de ma thèse, je me suis intéressé à l’étude du rôle des récepteurs β1- et β2-ARs dans la régulation différentielle de l’activité PKA cytoplasmique et nucléaire. J’ai ainsi pu montrer que contrairement aux récepteurs β1-ARs qui ont la capacité d’activer la PKA au niveau du cytoplasme et aux noyaux, les récepteurs β2-ARs activent la PKA uniquement au niveau du cytoplasme, et ce indépendamment de la capacité des récepteurs β2-ARs à induire une augmentation des niveaux d’AMPc dans les noyaux. En accord avec ces résultats, les récepteurs β1- mais pas β2-ARs activent le facteur pro-apoptotique régulé par la PKA, ICER.Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis intéressé aux différents mécanismes responsables de l’incapacité des récepteurs β2-ARs à activer la PKA au niveau des noyaux. Mes résultats soulignent le rôle de la localisation des récepteurs β2-ARs au niveau des cavéoles, leurs couplage aux protéines Gi, leurs désensibilisation par la GRK2 ainsi que la dégradation de l’AMPc généré par ces récepteurs par la PDE3 et 4 dans la régulation de la signalisation PKA cytoplasmique et pointent vers la PDE4 comme un régulateur central permettant de limiter l’activation de la PKA holoenzyme responsable des réponses PKA nucléaires. Mes résultats montrent également que la mAKAP est un élément clé dans la transduction de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β2-ARs et à un moindre degré, les récepteurs β1-ARs. Dans la dernière partie de ma thèse, j’ai étudié le remodelage de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β1- et β2-ARs au cours de l’insuffisance cardiaque. J’ai ainsi pu montrer qu’en plus de la diminution de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β1-ARs, il existe une signalisation PKA nucléaire de novo induite par les récepteurs β2-ARs dans les cardiomyocytes de rat adulte insuffisants.En conclusion, ce travail a mis à jour une nouvelle différence entre les récepteurs β1- et β2-ARs dans la signalisation PKA au niveau des noyaux des cardiomyocytes de rat adultes, et souligne le rôle important de la PDE4 et de la mAKAP dans la régulation de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β2-ARs. / In the heart, acute activation of the cAMP/PKA pathway upon stimulation of β-adrenoceptors (β-ARs), plays a fundamental role in the regulation of cardiac function, whereas chronic activation of this pathway is deleterious, as it is responsible for cardiac arrhythmias and hypertrophic remodeling of the heart. In cardiac myocytes, there are mainly two subtypes of β-ARs: β1- and β2-ARs, which exert different effects on cardiac function.In the first part of my thesis, my work was focused on understanding the role of β1- and β2-ARs in the differential regulation of cytoplasmic and nuclear PKA activity. Hence, I have showed that unlike β1-ARs which have the capacity to induce the activation of PKA in the cytoplasm and the nucleus, β2-ARs induce the activation of PKA only in the cytoplasmic compartment, regardless of their ability to induce an increase in cAMP in the nuclei. Consistently, β1- but not β2-ARs were able to induce the activation of the pro-apoptotic factor regulated by PKA, ICER.The second aim of my thesis was to decipher the different mechanisms involved in the inability of β2-ARs to activate PKA in the nucleus. I concentrated my efforts on investigating the role of the localization of β2-ARs in caveolae, their coupling to Gi proteins, their desensitization by GRK2 as well as the hydrolysis of cAMP by PDE3 and 4 in the regulation of β2-AR-induced cytoplasmic PKA activity. My results point to PDE4 as a central regulator which limits the activation of the PKA holoenzyme pool involved in the nuclear PKA responses. My results also show that mAKAP is a key component of nuclear PKA signaling induced by β2-ARs and to a lesser extent by β1-ARs. In the last part of my thesis, I have studied the remodeling of nuclear PKA signaling induced by β1- and β2-ARs that occurs during heart failure. I showed that, besides a decrease in β1-AR-induced nuclear PKA signaling, there is a de novo β2-AR-induced nuclear PKA signaling in cardiomyocytes from rat with heart failure.In conclusion, this work uncovers a new difference in PKA signaling between β1- and β2-ARs at the nuclear compartment of adult rat cardiomyocytes and underlines the importance of PDE4 and mAKAP in the regulation of β2-AR-induced nuclear PKA signaling.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le récepteur β₂-adrénergique est, parmi les récepteurs couplés aux protéines G, le mieux connu et, par conséquent, sert de prototype pour cette grande famille de récepteurs. Les différents mécanismes responsables de régulariser l'activité fonctionnelle du β₂AR sont relativement bien établis. Par exemple, à la suite d'une stimulation soutenue par un agoniste, la phosphorylation et la palmitylation du β₂AR sont modifiées. Cependant, contrairement à la phosphorylation, peu d'études se sont attardées à caractériser la palmitylation du récepteur. Cette modification consiste à l'ajout d'un acide gras saturé de seize atomes de carbone sur le résidu cystéine 341 du récepteur via une liaison thioester. Selon les résultats d'études antérieures, la palmitylation pourrait correspondre à un niveau supplémentaire de régulation de l'activité fonctionnelle du β₂AR. Le premier objectif vise donc à mieux comprendre la dynamique de palmitylation du récepteur. A la suite d'expériences de radiomarquages et de "pulse-chase", nous avons démontré que la palmitylation est une modification post-traductionnelle réversible durant la vie du récepteur indépendamment du système d'expression utilisé (cellules de mammifères et cellules d'insectes). De plus, l'état d'activation du récepteur influence grandement sa palmitylation. L'activation du récepteur par un agoniste aboutit à une augmentation nette de la vitesse de renouvellement du palmitate associé au récepteur. Dans ce contexte d'activation, nous avons mis en évidence par mutagenèse dirigée que le site de phosphorylation de la PKA (343RRSS3) dans la portion C-terminale du récepteur y joue un rôle déterminant. La phosphorylation de ce site de la PKA serait responsable, par une répulsion entre les charges négatives des phospholipides de la membrane plasmique, et celles des serines phosphorylées 345 et 346, de la diminution de la stabilité de l'ancrage du palmitate dans la membrane. Ultimement, la phosphorylation du récepteur favoriserait une forme non palmitylée du β₂AR. La déphosphorylation du β₂AR serait nécessaire pour permettre au récepteur d'être de nouveau palmitylé. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que la palmitylation est régulée non seulement à la suite de l'activation du récepteur, mais également par l'état de phosphorylation du β₂AR. Cette interaction entre la phosphorylation et la palmitylation du récepteur a été observée en utilisant des cellules de mammifère et des cellules d'insectes (Sf9). Cependant, une différence existe entre ces deux systèmes en ce qui a trait à la vitesse de renouvellement du palmitate associé au récepteur. Dans les cellules de mammifères, la vitesse de renouvellement du palmitate associé au récepteur est beaucoup plus lente que celle observée dans les cellules d'insectes (Sf9). Pour cette raison, nous croyons que la palmitylation pourrait avoir d'autres fonctions. Cependant, le ou les rôles pouvant être rattachés à cette modification demeurent à être déterminés. Nous avons également démontré que la palmitylation du β₂AR pouvait être régulé indépendamment de l'activation du récepteur. Nous avons mis en évidence le fait que e monoxyde d'azote exerce une modulation sur l'état de palmitylation du β₂AR. Les résultats de cette étude ont démontré que la présence de monoxyde d'azote diminue l'incorporation du palmitate tritié au niveau du récepteur activé ou pas par un agoniste tel que l'isoprotérénol. Cet effet du monoxyde d'azote est accompagné du découplage fonctionnel du récepteur avec la protéine Gas. Selon nos résultats, le monoxyde d'azote module directement la voie β₂-adrénergique en régulant l'état de palmitylation du β₂AR.

Les catécholamines induisent la synthèse d’AMPc par une stimulation des récepteurs β-adrénergiques et contrôlent ainsi la fonction cardiaque en activant une pléiade de voies de signalisation intracellulaires. Les protéines Epac sont des facteurs d’échange pour les petites protéines G et sont directement activés par l’AMPc. Devant l’importance de la voie β-adrénergique dans la physiopathologie cardiaque et dans le but de mieux comprendre la régulation des processus cellulaires dépendants de l’AMPc dans le cœur, il apparaît essentiel de caractériser le rôle des facteurs d’échange Epac dans le myocarde. Dans une première partie, cette étude démontre que les effets de Epac sur l’hypertrophie des cardiomyocytes ventriculaires de rats nouveaux nés requièrent les GTPases H-Ras et Rap2B. Epac active la voie PLC/IP3/Ca2+ qui est nécessaire pour l’activation de H-Ras. Au niveau transcriptionnel, Epac induit l’export nucléaire de HDAC4 permettant l’activation d’un programme génique d’hypertrophie. Dans une deuxième partie, cette étude révèle l’implication de Epac1 dans l’hypertrophie des cardiomyocytes in vivo, chez la souris. La délétion de Epac1 protège du remodelage cardiaque induit par l’activation prolongée des récepteurs β-adrénergiques et améliore la fonction cardiaque. La surexpression de Epac1 spécifiquement dans le myocarde entraîne une hypertrophie des cardiomyocytes. Par ailleurs, la voie β-AR/Epac1 induit l’accumulation de protéines ubiquitinylées et provoque l’activation du processus d’autophagie in vitro et in vivo. L’autophagie protège des effets délétères de la voie β-adrénergique/Epac en participant à l’élimination des agrégats protéiques et en contrant les effets hypertrophiques de Epac1. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le traitement de l’hypertrophie et de l’insuffisance cardiaque. / Catecholamines regulate cardiac function by stimulating β-adrenergic receptors (β-AR), leading to cAMP production and activation of a multiplicity of signaling pathways. Epac proteins are exchange factors for small G proteins which are directly activated by cAMP. Given the importance of the β-adrenergic pathway in cardiac physiopathology, it becomes essential to characterize functions of Epac protein in myocardium. In a first part, this study shows that H-Ras and Rap2B GTPases are involved in Epac-induced neonatal rat cardiac myocytes hypertrophy. Epac induces activation of the PLC/IP3/Ca2+ pathway which is necessary for H-Ras activation. At the transcriptional level, Epac causes HDAC4 nuclear export leading to activation of a hypertrophic gene program. In a second part, this study reveals implication of Epac1 in cardiac hypertrophy in vivo. Deletion of Epac1 in mice protects from cardiac remodeling induced by chronic isoproterenol infusion and enhances cardiac function. Cardiac specific overexpression of Epac1 in mice induces cardiac myocytes hypertrophy. Interestingly, β-AR/Epac1 pathway triggers ubiquitinated proteins accumulation and activation of autophagy both in vitro and in vivo. By eliminating aggregates and by counteracting hypertrophic effects of Epac, autophagy protects from deleterious effects of the β-AR/Epac pathway. These results open news insights into the treatment of cardiac hypertrophy and heart failure.