Etude des bases structurales de l’efficacité et de la sélectivité fonctionnelle des récepteurs couplés aux protéines G : cas du récepteur V2 de la vasopressine

par Rita Rahmeh

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Bernard Mouillac.

Le président du jury était Joël Bockaert.

Le jury était composé de Bernard Mouillac, Joël Bockaert, Ralf Jockers, Martin j Lohse, Sébastien Granier, Jean-Luc Popot.

Les rapporteurs étaient Ralf Jockers, Martin j Lohse.


  • Résumé

    Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) représentent la plus grande famille de protéines membranaires. Ils sont activés par une grande variété d'hormones, de neurotransmetteurs, et par des stimuli sensoriels. Ces récepteurs jouent un rôle central dans le contrôle de la grande majorité des fonctions physiologiques et constituent une cible thérapeutique majeure. Plusieurs études supportent l'existence de plusieurs états conformationnels de ces récepteurs stabilisés par les ligands. Le caractère dynamique des RCPG est essentiel dans leur fonctionnement. Une question majeure est de déterminer comment un ligand modifie la structure et la fonction de son récepteur. Pour cela, nous avons analysé les changements conformationnels d'un récepteur prototype de la famille des récepteurs à ligands peptidiques, le sous-type V2 de la vasopressine (V2R). Le V2R présente un large éventail de ligands ayant des efficacités différentes (agoniste partiels et complets, agonistes inverses et antagonistes) ainsi que des agonistes biaisés vis-à-vis des voies de signalisation dépendantes de Gs et des arrestines. Afin de déterminer les bases structurales de l'efficacité (amplitude de la réponse biologique) et de la sélectivité fonctionnelle (la capacité d'un RCPG à activer ou à inactiver préférentiellement une voie de signalisation parmi l'ensemble des voies de transduction auxquelles il est couplé), nous avons purifié et stabilisé le V2R par reconstitution en amphipols neutres (Napols). La fonctionnalité du récepteur a été vérifiée par mesure de son interaction directe avec la protéine Gs et les arrestines purifiés. Les profils d'efficacité des ligands vis-à-vis des deux voies de signalisation sont cohérents avec ceux décrits dans des cellules vivantes. Afin d'aborder directement les changements conformationnels dépendants des ligands, nous avons développé deux approches de fluorescence, la fluorescence intrinsèque des tryptophanes et le LRET (Lanthanide Resonance Energy Transfer). La liaison des ligands ayant des efficacités opposées pour la voie Gs ont induit des variations opposées de la fluorescence intrinsèque des tryptophanes, suggèrant l'existence d'états conformationnels distincts. En parallèle, l'analyse des changements des signaux de LRET entre deux domaines fonctionnels du récepteur marqués par deux fluorophores compatibles, le domaine transmembranaire 6 (TM6) côté cytoplasme et l'extrémité C-terminale distale, a permis de calculer une distance moyenne de 33 Å. En accord avec les variations de fluorescence intrinsèque des tryptophanes, les ligands ayant des efficacités opposées pour la voie Gs ont induit un mouvement opposé de ces deux domaines. Les agonistes complets entraînent un éloignement de la boucle i3 et de l'extrémité C-terminale (+2.4 Å) alors qu'un rapprochement des deux domaines est associé à la liaison de l'agoniste inverse (-0.9 Å). Nos résultats démontrent qu'un récepteur à ligands peptidiques répond à la liaison de ses ligands spécifiques par des changements conformationnels dynamiques. Chaque ligand est caractérisé par un ou plusieurs états conformationnels distincts. De plus, les changements conformationnels du V2R jouant un rôle dans le couplage à Gs sont différents de ceux impliqués dans le recrutement des arrestines. Ces données apportent des éléments essentiels de compréhension des mécanismes moléculaires et structuraux de l'activation des RCPG. A plus long terme, une étude plus extensive de la dynamique des RCPG devrait guider le développement de molécules thérapeutiques possédant des propriétés de sélectivité fonctionnelle.

  • Titre traduit

    Study of structural bases of efficacy and functional selectivity of G protein-coupled receptors : a case study with vasopressin V2 receptor


  • Résumé

    G protein-coupled receptors (GPCR) are seven-transmembrane proteins that mediate most cellular responses to hormones and neurotransmitters, representing the largest group of therapeutic targets. Several studies support the existence of multiple ligand-specific conformational states of GPCR. The dynamic character of GPCR is likely to be essential for their functioning, and a better understanding of this molecular plasticity might facilitate structure-based drug discovery. A major question is to determine how ligands modify receptor structure and function. To this end, we have been studying the structural dynamics of the human vasopressin type 2 receptor (V2R), a prototypical peptide-activated class A GPCR. The V2R is coupled to Gs protein and to β-arrestins, and it has been well characterized pharmacologically using a large panel of ligands with different efficacies. Several display functional selectivity (Gs activation and concomitant β-arrestin inhibition). To demonstrate that ligand efficacy and functional selectivity are achieved through the stabilization of multiple conformational states, we have purified and reconstituted the V2R in amphipathic polymers (amphipol) and developed fluorescence-based approaches. The functionality of the V2R was monitored by direct activation of the purified Gs protein and interaction with purified β-arrestin 1. In these two assays, the effect of ligands correlated well with their known efficacy in cellular systems. Binding of V2R ligands with opposite efficacies toward Gs pathway led to opposite variations in the tryptophan intrinsic fluorescence of the receptor, suggesting the presence of different conformational states of the receptor. In parallel, we used Lanthanide-based resonance energy transfer (LRET) to directly analyze dynamics of the V2R and more particularly conformational changes between fluorophore-labeled extreme C-terminus and transmembrane domain 6. We calculated a basal mean distance of 33 Å between these domains. Interestingly, ligands with different efficacies towards Gs protein elicited opposite LRET changes as for tryptophan fluorescence spectroscopy. Indeed, the two labeled domains moved away upon full agonist binding (+2.4 Å), and closer in presence of inverse agonist (-0.9 Å). These data provide the first evidence of ligand-specific conformational changes in a peptide-activated receptor, and demonstrate that receptor conformational changes involved in Gs coupling are different from those responsible for arrestin recruitment. The results shed some light into the molecular and structural mechanisms of GPCR activation that may be relevant to the design of signaling pathway-selective drugs.

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