Développement de nouveaux biosenseurs fluorescents pour l'étude dynamique de la signalisation purinergique

par Matthias Ollivier

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de François Rassendren.

Soutenue le 12-10-2018

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , en partenariat avec Institut de Génomique Fonctionnelle (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Thomas Grutter.

Le jury était composé de François Rassendren, Thomas Grutter, Christophe Duranton, Eric Boué-Grabot, Elena Avignone, Vincent Compan.

Les rapporteurs étaient Christophe Duranton, Eric Boué-Grabot.


  • Résumé

    En dehors de son rôle de stockage de l’énergie cellulaire, l’adénosine-triphosphate (ATP) est également une molécule de signalisation extracellulaire qui agit sur deux familles de récepteurs, les récepteurs métabotropiques P2Y et les récepteurs ionotropiques P2X. Dans le système nerveux central, les récepteurs P2X et la signalisation purinergique sont impliqués dans de nombreuses fonctions physiologiques comme la modulation de la transmission synaptique et la communication neurone-glie ainsi que dans diverses pathologies telles que les douleurs chroniques, l’épilepsie ou les maladies neurodégénératives. Enregistrer l’activité des récepteurs P2X in situ reste aujourd’hui encore difficile de par la paucité des outils pharmacologiques et de par les propriétés biophysiques particulières de ces récepteurs canaux. De surcroit, les mécanismes de libération de l’ATP sont encore mal caractérisés et la détection de cette molécule dans l’espace extracellulaire est limitée par la faible résolution spatio-temporelle des techniques disponibles. A ce jour, il n’existe aucune méthode satisfaisante permettant de suivre l’activité des récepteurs P2X ou détecter la libération d’ATP en temps réel. Pour pallier à ces manques, nous avons développé de nouveaux outils fluorescents basés sur la fusion du rapporteur calcique GCaMP6s aux récepteurs P2X.Notre étude montre d’abord que ces biosenseurs P2X-GCaMP6s sont capables de rapporter spécifiquement et dynamiquement, en fluorescence, l’activité des récepteurs P2X dans différentes lignées cellulaires (HEK, astrocytes, macrophages), ainsi que dans des neurones hippocampiques en culture. Dans un deuxième temps, l’outil P2X2-GCaMP6s a été modifié afin de créer un biosenseur de haute affinité pour l’ATP extracellulaire. Deux mutants, dont l’affinité apparente est de l’ordre de la centaine de nanomolaire, ont permis de détecter et de quantifier une libération d’ATP endogène. En combinant l’utilisation de ces biosenseurs avec des approches pharmacologiques et génétiques, nous avons montré que lors d’un choc hypotonique l’activation du canal VRAC LRRC8 contribue à la libération d’ATP par les cellules HEK et par des monocytes humains différenciés en macrophages. Enfin, nous avons montré que la libération d’ATP lors du gonflement des cellules déclenchait le phénomène de régulation du volume cellulaire, permettant aux cellules de retrouver leur volume initial.Ces biosenseurs fluorescents permettent donc de visualiser de façon dynamique l’activité des récepteurs P2X et la libération d’ATP. Ces outils étant compatibles avec des approches in vivo, ils devraient permettre une meilleure caractérisation des mécanismes moléculaires de la communication purinergique.

  • Titre traduit

    Development of new fluorescent tools to dynamically study purinergic signaling


  • Résumé

    Adenosine 5'-triphosphate (ATP) is an extracellular signaling molecule acting on two major classes of membrane receptors, metabotropic P2Y receptors and ionotropic P2X receptors. In the central nervous system, P2X receptors are involved in diverse functions such as modulation of synaptic transmission or neuron-glia communication and are implicated in different pathologies including chronic pain, epilepsy or neurodegenerative diseases. Recording P2X receptor activity is difficult because of the paucity of pharmacological tools and because P2X receptors are prone to desensitization. In addition, measuring extracellular ATP concentration is challenging since the mechanisms and the source of ATP are still poorly characterized. In addition, classical ATP detecting approaches have clear spatial and temporal limitations. As a consequence, following P2X activity and visualizing or quantifying ATP release in real time remains challenging. To overcome these issues, we developed new fluorescent biosensors based on the fusion of the fluorescent calcium reporter GCaMP6s to P2X receptors.We first determined that fluorescence specifically reports on the activity of the P2X2 channel in different cell line (HEK, astrocytes, macrophages) and in primary culture of hippocampal neurons. We next engineered P2X2 receptor to create high affinity ATP biosensors. We identified two mutants with EC50s for ATP in the 100 nanomolar range that allow for the detection and the quantification of endogenous ATP release evoked by cell swelling. Using pharmacological approaches and knock-out cells, we demonstrated the implication in ATP release of the recently identify volume-regulated anion channel, LRRC8A in HEK cells and differentiated human macrophages. Finally, we provided evidence that the LRRC8-dependant ATP release is necessary for the cellular regulation of volume decrease after swelling.Our results show that these fluorescent ATP biosensors can be used to dynamically track P2X channel activity and can be used in vivo to decipher the molecular mechanisms involved in purinergic signaling.


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