Interactions lipides-GPCRs: de l’activation des récepteurs au sphingosine-1-phosphate à la modulation de la fonction du récepteur V2 à la vasopressine

GPCRs form the largest family of membrane proteins in human genome and mediate signal transmission in a wide panel of essential physiological processes, and they are thus a major source of pharmaceutical targets. Investigating GPCR interactions with their cognate ligands and their membrane environment is crucial to understand their function at a molecular level. While major breakthroughs in the determination of high resolution structures of GPCRs in inactive and active states have shed a new light on the structural basis of GPCR activation process, complementary approaches are needed to investigate its dynamic aspects in the context of a native lipid environment. Our research work falls within this scope and hinges on two main issues: on the one hand, understand which structural features of the agonist underlie the activation of S1P receptors; on the other hand determine if membrane lipids modulate the structure and the function of the vasopressin V2 receptor (V2R). First, we investigated the functional response of S1P1, S1P2, S1P4 and S1P5 receptors expressed in mammalian cells to a series of synthetic derivatives of the native ligand sphingosine-1-phosphate, of variable alkyl chain length. Our data demonstrated that the hydrophobic tail of the ligand is crucial to induce activation in S1P receptors family, and revealed subtype-specificities regarding the influence of the alkyl chain length. Our experimental results combined with molecular dynamics simulation lead us to propose an activation mechanism for S1P receptors family. In the second part of our work, we reconstituted purified V2R into systems of controlled lipid composition, mimicking the membrane bilayer. Structural and functional characterization of the receptor in different lipid environments, using infrared and fluorescence spectroscopy approaches, revealed that the lipid composition affects V2R conformation and its interaction with a specific ligand. Taken together, our research work contributes to a better understanding of GPCRs activation mechanism and its regulation by lipid environment.Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) forment la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain et contribuent à une kyrielle de processus physiologiques essentiels, qui leur confèrent un intérêt pharmacologique majeur. Étudier l'interaction de ces protéines avec leurs ligands et leur environnement membranaire est primordial pour appréhender leur fonctionnement à l’échelle moléculaire. Bien que de remarquables avancées dans la détermination de structures à haute résolution de GPCRs à l'état inactif et actif aient permis de comprendre certaines bases structurales du fonctionnement des récepteurs, des approches complémentaires donnant un aperçu des aspects dynamiques et dans un environnement natif sont nécessaires pour cerner pleinement leur mécanisme d'activation. Notre travail de thèse s'inscrit dans cette problématique et s'articule autour de deux sujets: d'une part, comprendre quelles caractéristiques structurales du ligand sous-tendent l'activation de la famille des récepteurs au sphingosine-1-phosphate (S1P); d'autre part, déterminer si les lipides de la membrane plasmique modulent la structure et la fonction du récepteur à la vasopressine V2. Pour répondre à notre première question, nous avons étudié la réponse fonctionnelle en système cellulaire des récepteurs S1P1, S1P2, S1P4 et S1P5 à des composés synthétiques dérivés du S1P, portant des chaînes alkyles de longueur variable. Nos données mettent en évidence que la longueur de la chaîne hydrocarbonée du ligand est un paramètre crucial dans sa capacité d'induire l'activation du récepteur et ce pour l'ensemble des sous-types étudiés. De plus, nos résultats suggèrent que le comportement vis-à-vis de la longueur de chaîne dépend du sous-type de récepteur considéré. Nos résultats expérimentaux, combinés à une approche de modélisation dynamique, ont abouti à proposer un mécanisme d'activation pour la famille des récepteurs au S1P. Dans le second volet de notre travail, nous avons reconstitué le récepteur V2 purifié dans des systèmes de composition lipidique contrôlée, mimant la bicouche membranaire. Nous avons procédé à la caractérisation structurale et fonctionnelle du récepteur inséré dans différentes types de lipides, par des méthodes spectroscopiques infrarouge et de fluorescence. Les données obtenues suggèrent que la composition lipidique affecte la conformation et la fonction du récepteur. L'ensemble de nos travaux contribue ainsi à une meilleure compréhension du mécanisme d'activation des GPCRs et de leur régulation par l'environnement lipidique.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Interactions lipides-GPCRs: de l’activation des récepteurs au sphingosine-1-phosphate à la modulation de la fonction du récepteur V2 à la vasopressine

GPCRs form the largest family of membrane proteins in human genome and mediate signal transmission in a wide panel of essential physiological processes, and they are thus a major source of pharmaceutical targets. Investigating GPCR interactions with their cognate ligands and their membrane environment is crucial to understand their function at a molecular level. While major breakthroughs in the determination of high resolution structures of GPCRs in inactive and active states have shed a new light on the structural basis of GPCR activation process, complementary approaches are needed to investigate its dynamic aspects in the context of a native lipid environment. Our research work falls within this scope and hinges on two main issues: on the one hand, understand which structural features of the agonist underlie the activation of S1P receptors; on the other hand determine if membrane lipids modulate the structure and the function of the vasopressin V2 receptor (V2R). First, we investigated the functional response of S1P1, S1P2, S1P4 and S1P5 receptors expressed in mammalian cells to a series of synthetic derivatives of the native ligand sphingosine-1-phosphate, of variable alkyl chain length. Our data demonstrated that the hydrophobic tail of the ligand is crucial to induce activation in S1P receptors family, and revealed subtype-specificities regarding the influence of the alkyl chain length. Our experimental results combined with molecular dynamics simulation lead us to propose an activation mechanism for S1P receptors family. In the second part of our work, we reconstituted purified V2R into systems of controlled lipid composition, mimicking the membrane bilayer. Structural and functional characterization of the receptor in different lipid environments, using infrared and fluorescence spectroscopy approaches, revealed that the lipid composition affects V2R conformation and its interaction with a specific ligand. Taken together, our research work contributes to a better understanding of GPCRs activation mechanism and its regulation by lipid environment.Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) forment la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain et contribuent à une kyrielle de processus physiologiques essentiels, qui leur confèrent un intérêt pharmacologique majeur. Étudier l'interaction de ces protéines avec leurs ligands et leur environnement membranaire est primordial pour appréhender leur fonctionnement à l’échelle moléculaire. Bien que de remarquables avancées dans la détermination de structures à haute résolution de GPCRs à l'état inactif et actif aient permis de comprendre certaines bases structurales du fonctionnement des récepteurs, des approches complémentaires donnant un aperçu des aspects dynamiques et dans un environnement natif sont nécessaires pour cerner pleinement leur mécanisme d'activation. Notre travail de thèse s'inscrit dans cette problématique et s'articule autour de deux sujets: d'une part, comprendre quelles caractéristiques structurales du ligand sous-tendent l'activation de la famille des récepteurs au sphingosine-1-phosphate (S1P); d'autre part, déterminer si les lipides de la membrane plasmique modulent la structure et la fonction du récepteur à la vasopressine V2. Pour répondre à notre première question, nous avons étudié la réponse fonctionnelle en système cellulaire des récepteurs S1P1, S1P2, S1P4 et S1P5 à des composés synthétiques dérivés du S1P, portant des chaînes alkyles de longueur variable. Nos données mettent en évidence que la longueur de la chaîne hydrocarbonée du ligand est un paramètre crucial dans sa capacité d'induire l'activation du récepteur et ce pour l'ensemble des sous-types étudiés. De plus, nos résultats suggèrent que le comportement vis-à-vis de la longueur de chaîne dépend du sous-type de récepteur considéré. Nos résultats expérimentaux, combinés à une approche de modélisation dynamique, ont abouti à proposer un mécanisme d'activation pour la famille des récepteurs au S1P. Dans le second volet de notre travail, nous avons reconstitué le récepteur V2 purifié dans des systèmes de composition lipidique contrôlée, mimant la bicouche membranaire. Nous avons procédé à la caractérisation structurale et fonctionnelle du récepteur inséré dans différentes types de lipides, par des méthodes spectroscopiques infrarouge et de fluorescence. Les données obtenues suggèrent que la composition lipidique affecte la conformation et la fonction du récepteur. L'ensemble de nos travaux contribue ainsi à une meilleure compréhension du mécanisme d'activation des GPCRs et de leur régulation par l'environnement lipidique.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Structural and mechanistic insights into the bacterial amyloid secretion channel CsgG

Curli are functional amyloid fibres that constitute the major protein component of the extracellular matrix in pellicle biofilms formed by Bacteroidetes and Proteobacteria (predominantly of the α and γ classes). They provide a fitness advantage in pathogenic strains and induce a strong pro-inflammatory response during bacteraemia. Curli formation requires a dedicated protein secretion machinery comprising the outer membrane lipoprotein CsgG and two soluble accessory proteins, CsgE and CsgF. Here we report the X-ray structure of Escherichia coli CsgG in a non-lipidated, soluble form as well as in its native membrane-extracted conformation. CsgG forms an oligomeric transport complex composed of nine anticodon-binding-domain-like units that give rise to a 36-stranded β-barrel that traverses the bilayer and is connected to a cage-like vestibule in the periplasm. The transmembrane and periplasmic domains are separated by a 0.9-nm channel constriction composed of three stacked concentric phenylalanine, asparagine and tyrosine rings that may guide the extended polypeptide substrate through the secretion pore. The specificity factor CsgE forms a nonameric adaptor that binds and closes off the periplasmic face of the secretion channel, creating a 24,000 Å(3) pre-constriction chamber. Our structural, functional and electrophysiological analyses imply that CsgG is an ungated, non-selective protein secretion channel that is expected to employ a diffusion-based, entropy-driven transport mechanism

Ligand chain length drives activation of lipid G protein-coupled receptors

Sphingosine-1-phosphate (S1P) is a lipid mediator that can activate five cell membrane G protein-coupled receptors (GPCRs) which carry a variety of essential functions and are promising drug targets. S1P is composed of a polar zwitterionic head-group and a hydrophobic alkyl chain. This implies an activation mechanism of its cognate receptor that must be significantly different from what is known for prototypical GPCRs (ie receptor to small hydrophilic ligands). Here we aim to identify the structural features responsible for S1P agonism by combining molecular dynamics simulations and functional assays using S1P analogs of different alkyl chain lengths. We propose that high affinity binding involves polar interactions between the lipid head-group and receptor side chains while activation is due to hydrophobic interactions between the lipid tail and residues in a distinct binding site. We observe that ligand efficacy is directly related to alkyl chain length but also varies with receptor subtypes in correlation with the size of this binding pocket. Integrating experimental and computational data, we propose an activation mechanism for the S1P receptors involving agonist-induced conformational events that are conserved throughout class A GPCRs.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

Ligand chain length drives activation of lipid G protein-coupled receptors

Sphingosine-1-phosphate (S1P) is a lipid mediator that can activate five cell membrane G proteincoupled receptors (GPCRs) which carry a variety of essential functions and are promising drug targets. S1P is composed of a polar zwitterionic head-group and a hydrophobic alkyl chain. This implies an activation mechanism of its cognate receptor that must be significantly different from what is known for prototypical GPCRs (ie receptor to small hydrophilic ligands). Here we aim to identify the structural features responsible for S1P agonism by combining molecular dynamics simulations and functional assays using S1P analogs of different alkyl chain lengths. We propose that high affinity binding involves polar interactions between the lipid head-group and receptor side chains while activation is due to hydrophobic interactions between the lipid tail and residues in a distinct binding site. We observe that ligand efficacy is directly related to alkyl chain length but also varies with receptor subtypes in correlation with the size of this binding pocket. Integrating experimental and computational data, we propose an activation mechanism for the S1P receptors involving agonist-induced conformational events that are conserved throughout class A GPCRs