Study of the multiple conformations of the HIV-1 co-receptor CCR5

par Jun Jin

Thèse de doctorat en Immunologie B3MI

Sous la direction de Anne Brelot.

Soutenue en 2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Etude des conformations du co-récepteur d'entrée des VIH CCR5


  • Résumé

    Les récepteurs couples aux protéines G représentent la majorité des récepteurs cibles en thérapie. Différentes conformations de ces récepteurs semblent coexister à la surface cellulaire. Toutefois, leur caractérisation moléculaire et l'impact de ses conformations sur la fonction des récepteurs restent peu connus. Nous nous sommes intéressés à cette question, en prenant comme modèle le récepteur de chimiokines CCR5. En plus de son rôle physiologique, CCR5 est utilisé par la majorité des souches VIH -1 primaires dites « R5 ». Elles sont responsables in vivo de la transmission et du maintien de l'infection. Des individus qui n'expriment pas CCR5, à cause d'un polymorphisme naturel, sont protégés contre l'infection et ne souffrent pas du manque de CCR5. Ce récepteur représente donc une cible de choix pour une stratégie antivirale. Nous avons d'abord montre dans un article publié en 2014 (Jin, JBC 2014) l'existence de conformations particulières de CCR5 à la surface cellulaire, nommées « spare receptors» pour « récepteurs de réserves ». Nous avons exploite les caractéristiques de l'analogue de chimiokine psc-rantes, qui présente une puissante activité antivirale et induit une séquestration intracellulaire des récepteurs à long terme. Nous relevons l'existence d'une population de récepteurs « de réserves » (non reconnues par les chimiokines natives) dans des expériences de compétition de liaison, d'internalisation et de désensibilisation. Nous montrons en particulier que les chimiokines natives sont incapables d'inhiber la liaison de psc-rantes, l'internalisation induite par psc-rantes ou l'induction d'une réponse calcique médiée par psc-rantes. La capacité de cet analogue à cibler une large quantité de récepteurs explique le recrutement massif de B-arrestine2 observe a la membrane plasmique et l'internalisation importante du récepteur, a l'origine de son fort pouvoir antiviral. Ces récepteurs de réserves pourraient être ceux cibles par les VIH pour échapper à la barrière des chimiokines. Ils représentent des lors une cible prioritaire pour inhiber l'infection. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'organisation moléculaire de ses conformations. Différents travaux indiquent d'une part que les récepteurs de chimiokines s'organiseraient sous forme d'oligomères constitutifs et, d'autre part, que cette organisation serait nécessaire au transport des récepteurs vers la surface cellulaire, à la liaison des ligands, à la signalisation et au trafic intracellulaire après stimulation. Cette propriété structurale des récepteurs, sujette à controverse pour les GPCR de classe A, pourrait aussi influencer l'entrée des VIH -1 dans certaines conditions, mais cet effet reste mal connu. Par homologie avec les structures cristallographiques récemment décrites de cxcr4 et du récepteur mu opioïde, nous avons proposé en collaboration avec Esther Kellenberger (Strasbourg) un nouveau modèle de dimérisation de ccr5. A partir de ce modèle, nous avons identifié les résidus impliques dans plusieurs interfaces de dimérisation par des approches biochimique et biophysique. En ciblant ces interfaces par mutagénèse dirigée et en utilisant un test original de suivi de l'export des protéines, nous montrons l'importance de la dimérisation de ce récepteur pour son transport a la surface cellulaire. Ce travail nous a également permis de révéler de nouvelles caractéristiques du compose maraviroc, unique antiviral ciblant CCR5 actuellement sur le marché. Celui-ci par interaction avec CCR5 au niveau du reticulum endoplasmique induit une nouvelle conformation de CCR5 qui favorise son export. Ces résultats bientôt soumis pour publication, révèlent plusieurs conformations de CCR5 et montrent leur rôle fonctionnel. A travers cette thèse, nous abordons l'enjeu d'avoir aujourd'hui une vision des conformations des GPCRS, et discutons l'impact qu'elles pourraient avoir sur la fonction de ces récepteurs et leur ciblage thérapeutique.


  • Résumé

    CCR5 (c-c chemokine receptor type 5), a seven-transmembrane receptor, exhibits multiple conformations at the cell surface based on interactions with ligands, heterotrimeric G proteins, B-arrestins, neighboring gpcrs and membrane lipids, and also based on the location and trafficking of the receptor. These conformations play an important role in receptor functions including ligand binding, cell signaling and trafficking. CCR5 also serves as a co-receptor for r5-tropic human immunodeficiency virus, type 1 (HIV-1) entry. The native chemokines ccl3, ccl4, and ccl5 can compete with HIV-1 gp120 for binding CCR5, and are supposed to form a natural barrier against HIV-1. However, their antiviral activity is limited by a pool of CCR5 adopting conformations that have low-chemokine affinity at the cell surface. We demonetrated that this pool of CCR5 that is not stabilized by chemokines could represent a target for inhibiting HIV-1 infection. We exploited the characteristics of the chemokine analog psc-rantes, which displays potent anti-HIV-1 activity. We show that native chemokines fail to prevent high-affinity binding of psc-rantes, analog-mediated calcium release (in desensitization assays), and analog-mediated CCR5 internalization. These results indicate that this pool of spare CCR5 may bind psc-rantes but not native chemokines. Improved recognition of CCR5 by psc-rantes may explain why the analog promotes higher amounts of b-arrestin2/ccr5 complexes, thereby increasing CCR5 down-regulation and HIV- 1 inhibition. Together, these results highlight that spare CCR5, which might permit HIV-1 to escape from chemokines, should be targeted for efficient viral blockade. Numerous studies also showed that gpcr form dimers or larger oligomers, a process that is involved in gpcr conformational changes. The molecular and functional relevance as well as the interaction interfaces of this organization are still poorly understood. To this aim, by using the HIV-1 coreceptor CCR5, we defined by chemical cross-link and molecular modeling two non-exclusive dimer interfaces, and a third one stabilized by the inverse agonist maraviroc, which indicates that CCR5 could also exhibit multiple conformations through homo-dimerization. We then showed, by site directed mutagenesis combined with saturation time-resolved fluorescence resonance energy transfer and a novel export assay, the essential role of dimerization in receptor transport to the cell surface. These results produce a consensual picture of the interfaces between protomers of class a dimers and reveal the impact of dimerization during biogenesis. They also provide new features of the marketed drug maraviroc highlighting both pharmacological chaperone and allosteric inhibitor activities. Overall, distinguishing multiple CCR5 conformations and their corresponding receptor functions has implications for understanding the selective use of CCR5 by HIV-1 and the development of improved strategies to block CCR5 use by HIV-1.

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  • Détails : 1 vol. ( 209 f.)
  • Annexes : 492 réf.

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