Thèse Amélie Tora Modulation endogène des

Thèse Amélie Tora
Modulation endogène des récepteurs métabotropiques du glutamate : Bases
moléculaires et implications fonctionnelles de la sensibilité au chlore
extracellulaire
Résumé
Les récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluRs) sont des récepteurs couplés aux protéines G
(RCPGs) modulant la transmission synaptique au sein du système nerveux central. D’un point de vue structural,
ils ont la particularité de posséder un large domaine extracellulaire, le Venus Flytrap (VFT), où se lie leur ligand
endogène, le glutamate. Leur domaine transmembranaire à 7 hélices, commun à tous les RCPGs, est connu pour
être la cible d’une nouvelle classe de molécules à visée thérapeutique, les modulateurs allostériques. Au
contraire, le VFT est le siège du développement de ligands compétitifs du glutamate et peu de choses sont
connues quant à l’existence de modulateurs allostériques du VFT.
Des études récentes ont mis en évidence une sensibilité des mGluRs aux ions extracellulaires et en
particulier au chlore (Cl-), sans que son site de liaison ne soit identifié. Dans ce contexte, ce travail de thèse
explore la possibilité d’une modulation allostérique endogène des mGluRs par les ions Cl-, en identifiant leur(s)
site(s) de liaison(s) et leur effet sur la dynamique conformationnelle et la fonction des récepteurs. En combinant
une approche pharmacologique, biophysique basée sur la technique de FRET, et la modélisation, nous avons tout
d’abord confirmé que le Cl- potentialise l’action du glutamate sur tous les mGluRs et qu’il favorise la
conformation active des récepteurs en se liant au niveau du VFT. Les mGluRs présentent également une
sensibilité différente au Cl-, mGlu4 étant le plus sensible et mGlu2 le moins. Ceci s’explique notamment par le
nombre de sites fonctionnels, tous les mGluRs dont mGlu4 possédant 2 sites par monomère à l’exception de
mGlu2 qui n’en possède qu’un, en raison d’une mutation « clé » d’une sérine en aspartate dans le lobe 1 du VFT.
D’autre part, le récepteur mGlu3 est apparu comme un cas particulier ayant une sensibilité accrue au Cl-, son
domaine VFT cumulant la présence et l’orientation adéquate d’acides aminés formant un « verrou » Cl-, qui
favorise de manière drastique la conformation active et une activité basale élevée de ce récepteur. Enfin, la
modélisation de la variation de la concentration extracellulaire en Cl- lors d’une activité synaptique
GABAergique est compatible avec une modulation des mGluRs les plus sensibles.
En conclusion, le Cl- est un modulateur allostérique endogène des mGluRs et l’exploitation de ses sites
de liaison au sein du VFT pourrait permettre le développement de nouveaux agents thérapeutiques.
Mots-Clés : Récepteurs couplés aux protéines G - Glutamate – Modulateur allostérique – Chlore –
Synapse GABAergique.
Abstract
Metabotropic glutamate receptors (mGluRs) are G coupled-protein receptors (GPCRs) playing key roles
in synaptic transmission in the central nervous system. They display a large extracellular domain, the Venus
Flytrap (VFT) where the endogenous ligand, glutamate, binds. Their 7 transmembrane helices spanning domain,
common to all GPCRs, is known to be the target of new therapeutic compounds, called allosteric modulators. In
contrast, VFT domain is used to develop glutamate competitive ligands and there are only few data about
allosteric modulators targeting the VFT.
Recent studies have shown mGluRs are sensitive to extracellular ions, particularly to chloride (Cl-),
although its binding site has not been elucidated. This thesis work explores the possibility of an endogenous
allosteric modulation of mGluRs by Cl-, aiming to delineate its binding site(s) and its effect on receptor
conformational dynamics and function. Using pharmacological, FRET based biophysical approaches and
modelling, we have first confirmed that Cl- potentiates glutamate action in all mGluRs and that this ion favors
agonist induced active conformation by binding to the VFT. mGluRs are also differently sensitive to Cl-, mGlu4
being the most and mGlu2 the least. This difference is notably explained by the number of Cl- functional sites
within the VFT, all mGluRs including mGlu4 displaying 2 sites per monomer whereas mGlu2 has only 1 site due
to a serine-aspartate “key” mutation in VFT lobe 1. Besides, mGlu3 receptor appears to be a “special case”, as
this receptor is highly sensitive to Cl- because its VFT domain is carrying amino acids creating a “Cl- lock”,
which dramatically favors active conformation and a high level of basal activity. Finally, modelling of
extracellular Cl- concentration variations in a GABAergic synapse is compatible with a modulation of the most
sensitive mGluRs.
In conclusion, Cl- is an endogenous allosteric modulator of mGluRs and exploiting its binding sites may
yield to the development of innovative therapeutic tools.
Keywords : G protein-coupled receptors - Glutamate – Allosteric modulator – Chloride – GABAergic
synapse.