Mécanismes moléculaires des récepteurs NMDA non-conventionnels de type GluN3

par Marco De Battista

Projet de thèse en Neurosciences

Sous la direction de Pierre Paoletti.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Cerveau, cognition, comportement , en partenariat avec Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    Les récepteurs N-Methyl-D-Aspartate (rNMDA) font partie des récepteurs les plus importants du système nerveux central en raison de leur rôle essentiel dans la formation de la mémoire, l'apprentissage, le développement neuronal ainsi que de leur implication fondamentale dans de nombreux processus cognitifs. Les récepteurs NMDA sont des canaux ioniques tétramériques ligand dépendants, composés obligatoirement de deux sous unités GluN1 en combinaison avec deux autres sous unités modulatoires GluN2 ou GluN3 (1). Au cours de ces dernières années, la recherche s'est particulièrement focalisée sur les sous unités GluN2, soulignant leur rôle dans l'induction de la plasticité synaptique en régulant la potentiation et la dépression à long terme (1). Au contraire, ce n'est que récemment que le rôle des rNMDA contenant GluN3 est devenu l'objet de recherche (2). Contrairement aux rNMDA classiques activés à la fois par la glycine et le glutamate, les rNMDA GluN1/GluN3 sont activés uniquement par la liaison de la glycine, en faisant ainsi les premiers récepteurs glycinergiques purement excitateurs à avoir été caractérisés. Récemment, une nouvelle preuve captivante du laboratoire montre l'existence de canaux dihétéroméques GluN1/GluN3 dans le cerveau de mammifères (3), et parallèlement, le développement de nouveaux outils pharmacologiques facilite grandement l'étude ces canaux in vitro. Ces développements importants ouvrent des perspectives excitantes quant à l'analyse systématique des propriétés biophysiques et fonctionnelles de ces rNMDA non conventionnels, dont la connaissance est actuellement limitée et rare. De nombreuses questions importantes demeurent concernant la structure et la fonction de ce récepteur unique, en particulier la façon dont les interactions aux interfaces entre les sous-unités (au sein des dimères ou du tétramère dans son ensemble) régulent et influencent l'assemblage du récepteur, son adressage ou sa perméabilité ionique. De façon intéressante, l'affinité pour la glycine de la sous-unité GluN3A est supérieure à celle de GluN1 et, contrairement aux rNMDA classiques, la seule fixation de la glycine sur la sous-unité GluN3A est suffisante pour déclencher l'ouverture du pore. A l'inverse, la fixation de la glycine sur la sous-unité GluN1 engendre une déactivation du récepteur rapidement après l'ouverture du pore, rendant difficile la détection des courants à l'aide de techniques électrophysiologiques (3-4). Par conséquent, afin de comprendre la façon dont la fixation d'un neurotransmetteur engendre une compétition cinétique entre les sous-unités des rNMDA GluN1/GluN3A, il est primordial d'identifier les mécanismes de régulation conformationnelle se jouant aux interfaces entres les sous-unités de ce récepteur. Pour ce faire, nous souhaitons explorer les paramètres d'activation, de perméabilité ionique ainsi que de désensibilisation des récepteurs GluN1/GluN3A via l'utilisation d'un panel de techniques déjà disponibles au laboratoire, allant de la mutagénèse dirigée, à l'ingénierie des récepteurs, en passant par la réalisation d'enregistrements électrophysiologiques et possiblement l'optocontrôle moléculaire du récepteur au sein de différents systèmes d'expressions hétérologues. En complément, nous souhaitons développer un modèle cinétique théorique qui permettrait de décrire et prédire la réponse des sous-unités du récepteur à la suite de la fixation d'un ligand, offrant alors une dimension structurale et quantitative à ce projet. Enfin, nous avons également l'ambition de développer un récepteur GluN3 sensible à la lumière. Cette méthode consiste sensibiliser une protéine à la lumière via l'insertion d'un chromophore de synthèse appelé « photoswitch ». Cette approche nous permettrait d'étudier avec une grande résolution spatio-temporelle le rôle des récepteurs contenant la sous-unité GluN3 dans la transduction du signal et la plasticité synaptique au sein d'un réseau cellulaire plus complexe. Avec ce projet, nous souhaitons améliorer la compréhension des mécanismes moléculaires régulant le fonctionnement des rNMDA contenant la sous-unité GluN3, et participer à l'élaboration d'outils nous permettant d'en améliorer sa compréhension, aussi bien dans des systèmes in vivo qu'in vitro. (1) Paoletti, P., Bellone, C., & Zhou, Q. (2013). NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat Rev Neurosci, 14(6), 383-400. (2) Perez-Otano, I., Larsen, R. S., & Wesseling, J. F. (2016). Emerging roles of GluN3-containing NMDA receptors in the CNS. Nat Rev Neurosci, 17(10), 623-635. (3) Grand, T., Gerges, S. A., David, M., Diana, M. A., & Paoletti, P. (2018). Unmasking GluN1/GluN3A excitatory glycine NMDA receptors. Nature Communications, 9(1), 4769 (4) Awobuluyi, M., Yang, J., Ye, Y., Chatterton, J. E., Godzik, A., Lipton, S. A., & Zhang, D. (2007). Subunit-specific roles of glycine-binding domains in activation of NR1/NR3 N-methyl-D-aspartate receptors. Mol Pharmacol, 71(1), 112-122.

  • Titre traduit

    Molecular mechanisms of Unconventional GluN3-containing NMDA receptors


  • Résumé

    The N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) are one of the most important excitatory receptors in the nervous system because of their primary role in mediating synaptic plasticity, memory formation, neural development and many other core processes of cognition. NMDARs are tetrameric ligand-gated ion channels composed of two obligatory GluN1 subunits, combined with two other GluN2 or GluN3 modulatory subunits (1). In the past decades, research has intensely focused on GluN2 subunits, indicating their role in triggering synaptic plasticity by regulating long-term potentiation and depression (1). Instead, only recently the role of GluN3A containing NMDARs began to be object of research (2). In contrary to classical NMDARs which are activated by both glycine and glutamate, GluN1/GluN3A NMDARs are activated by the binding of glycine alone, making it the first purely excitatory glycinergic receptor to be characterized. Recently, new exciting evidence from the host laboratory demonstrates the existance of diheteromeric GluN1/GluN3 channels in the mammalian brain (3), alongside providing new pharmacological tools that greatly ease the study of these channels in vitro. These important developments open exciting perspectives on the systematic analysis of the biophysical and functional properties of these unconventional NMDARs, the knowledge of which is currently fractioned and scarce. Many important questions remain regarding the structure and function of this unique receptor, as it is unclear how interactions at dimer and tetramer interfaces are regulated or influence receptor assembly, trafficking, gating and ionic permeation. Interestingly, the GluN3A subunit display a higher affinity for glycine that the GluN1 subunit and unlike classical NMDARs, the sole binding of the agonist to the GluN3A subunit is enough to promote pore opening. Contrarily, glycine binding to the GluN1 subunit promotes fast receptor deactivation immediately after the pore opening, making currents hard to detect through electrophysiological techniques (3-4). Hence, in order to understand how neurotransmitter binding is able to cause kinetic competition, new research is paramount to identify the mechanisms regulating conformational changes at the subunit interface of GluN3 and GluN1. We intend to study GluN1/GluN3 receptor activation, permeability and desensitization by taking a variety of approaches from site directed mutagenesis, receptor engineering, electrophysiology, and possibly molecular optocontrol in several heterologous expression systems. Complementary, we are also interested into developing a theoretical kinetic model that can functionally describe and predict the receptor subunit responses to binding of the ligand in order to give a structural and quantitative frame to the project. Finally, another ambitious aim involves the expression of functional light sensitive GluN3 receptors. This method consists of tagging blind proteins (i.e., insensitive to light) with light-sensitive synthetic chromophores named photoswitches to, consequently, render the latter receptive to light. This approach would allow to investigate with high spatiotemporal resolution the role in signal transduction and plasticity of these receptors in a larger cellular network. With this research, we hope to clarify the molecular mechanisms regulating the functioning of this elusive receptor, and pave the way for future in vitro and in vivo studies of GluN3 containing NMDARs. (1) Paoletti, P., Bellone, C., & Zhou, Q. (2013). NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat Rev Neurosci, 14(6), 383-400. (2) Perez-Otano, I., Larsen, R. S., & Wesseling, J. F. (2016). Emerging roles of GluN3-containing NMDA receptors in the CNS. Nat Rev Neurosci, 17(10), 623-635. (3) Grand, T., Gerges, S. A., David, M., Diana, M. A., & Paoletti, P. (2018). Unmasking GluN1/GluN3A excitatory glycine NMDA receptors. Nature Communications, 9(1), 4769 (4) Awobuluyi, M., Yang, J., Ye, Y., Chatterton, J. E., Godzik, A., Lipton, S. A., & Zhang, D. (2007). Subunit-specific roles of glycine-binding domains in activation of NR1/NR3 N-methyl-D-aspartate receptors. Mol Pharmacol, 71(1), 112-122.