Caractérisation structurale du récepteur à la vasopressine V2 en complexe avec l'arrestine et les protéines G par cryo-microscopie électronique

Structural characterization of vasopressin V2 receptor in complex with Gs and bêta-arrestin1 proteins by cryo-electron microscopy

• Auteur / Autrice : Julien Bous
• Direction : Patrick Bron, Bernard Mouillac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 27/09/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Biologie Structurale (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Banères
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Bron, Bernard Mouillac, Jean-Louis Banères, Ralf Jockers, Michel Bouvier, Christopher G. Tate
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ralf Jockers, Michel Bouvier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines membranaires

Cryoélectronique

Récepteurs couplés aux protéines G

Mots clés libres

Rcpg

Cryo-microscopie électronique

Complexes

Traitement d'image

Protéine membranaire

Structure

Structure

Complexes

Cryo-Electron microscopy

Gpcr

Membrane protein

Image processing

Résumé

Le récepteur V2 (V2R) de l'arginine-vasopressine (AVP) est un récepteur couplé aux protéines G qui contrôle l'homéostasie de l'eau corporelle. Elle est impliquée dans de nombreux troubles de l'équilibre hydrique et des urines. Des mutations ponctuelles de son gène sont directement responsables de deux maladies génétiques rares. À ce titre, il s'agit d'une cible thérapeutique clé. Malgré d'importants progrès dans la compréhension des bases moléculaires de sa fonction, il est resté longtemps réfractaire à la détermination structurale. Ce travail est ainsi focalisé sur la détermination de la structure tridimensionnelle (3D) V2R en complexe avec ses partenaires de signalisation canoniques la protéine Gs ou βarrestin1 (βarr1) par cryo-microscopie électronique (Cryo-ME). La comparaison des deux états actifs du V2R au niveau atomique est une étape importante vers la compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans son activité. Nous avons d'abord déterminé avec succès la structure complexe AVP-V2R-Gs en utilisant une combinaison de cryo-EM, de RMN expérimentale et de simulations de dynamique moléculaire. Cette approche hybride de biologie structurale a permis de résoudre les détails moléculaires de la liaison de l'AVP au V2R et de l'interface du récepteur avec le partenaire de signalisation de la protéine Gs. La structure est en accord avec les données de pharmacologie moléculaire accumulées sur 20 ans. La poche de liaison est une cavité au centre des sept hélices transmembranaires du V2R. Le fond de la poche de liaison orthostérique est principalement composé de résidus hydrophobes tandis que l'entrée est plus hydrophile. Le V2R actif présente des caractéristiques d'activation des récepteurs telles qu'un mouvement important du domaine transmembranaire (TM)6 vers l'extérieur , un mouvement vers l'intérieur du TM7 et une rupture du verrou ionique impliquant les hélices TM3 et TM6 (motif D/ERY). Le couplage entre le récepteur et son partenaire de signalisation Gs est significativement plus étroit que ce qui est observé pour d'autres GPCR de classe A et, fait intéressant, fortement dynamique, nous permettant de caractériser trois sous-états conformationnels. Cette étude va plus loin qu'une simple description d'une structure complexe de récepteur ou de protéine de signalisation. En effet, des modèles 3D ont été interprétés pour comprendre les conséquences structurelles des mutations du V2R responsables de deux maladies génétiques rares. Le diabète insipide néphrogénique congénital (DNIc) est associé à des mutations de perte de fonction V2R tandis que le syndrome néphrogénique d'antidiurèse inappropriée (SNAI) est associé à des mutations constitutivement actives de V2R.

The arginine-vasopressin (AVP) V2 receptor (V2R) is a G protein-coupled receptor that controls body water homeostasis. It is involved in many water balance and urine disorders. Point mutations of its gene are directly responsible for two rare genetic diseases. As such, it is a key therapeutic target. Despite important progress in understanding the molecular basis of its function, it remained for a long time refractory to structure determination. This work is thus focused on the determination of the three-dimensional (3D) V2R structure in complex with its canonical signaling partners Gs protein or βarrestin1 (βarr1) by cryo-electron microscopy (Cryo-EM). The comparison of the two active states of the V2R at an atomic level is an important step toward the understanding of the molecular mechanisms involved in its activity.We first successfully determined the AVP-V2R-Gs complex structure by using a combination of Cryo-EM, experimental NMR, and molecular dynamic simulations. This structural biology hybrid approach allowed to solve molecular details of AVP binding to V2R and of the interface of the receptor with the Gs protein signaling partner. The structure is in agreement with molecular pharmacology data accumulated over 20 years. The binding pocket is a deep cleft in the center of the seven-helix bundle. The bottom of the orthosteric crevice is mainly composed of hydrophobic residues while the entrance is more hydrophilic. The active V2R displays hallmarks of receptor activation such as a large outward movement of the transmembrane domain (TM)6 an inward movement of the TM7 and a break of the Ionic lock involving helices TM3 and TM6 (D/ERY motif). The coupling between the receptor and its Gs signaling partner is significantly tighter compared to what is observed for other class A GPCRs and interestingly, strongly dynamic, allowing us to characterize three conformational sub-states. This study goes further than a simple description of a receptor or a signaling protein complex structure. Indeed, 3D models were interpreted to understand the structural consequences of V2R mutations responsible for two rare genetic diseases. Congenital Nephrogenic Diabetes Insipidus (cNDI) is associated with V2R loss-of-function mutations whereas Nephrogenic Syndrome of Inappropriate antidiuresis (NSIAD) is associated with V2R constitutively active mutations.