Structure and dynamics of the nicotinic receptor

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Structure and dynamics of the nicotinic receptor

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Structure et Dynamique du Récepteur Nicotinique

Le travail de cette thèse a porté sur le récepteur nicotinique (nAChR), une protéine membranaire allostérique qui appartient à la grande famille des récepteurs canaux extracellulaires. Le nAChR intervient dans la transduction d’un signal chimique en signal électrique au niveau de la membrane postsynaptique de la jonction neuromusculaire et de celle de synapses nicotiniques centrales. Le neuromédiateur acétylcholine, en se liant au nAChR, provoque l’ouverture du canal et la dépolarisation de la membrane. En présence continue d’agoniste, le récepteur entre ensuite dans un état fermé réfractaire à toute stimulation : on parle de phénomène de désensibilisation. La connaissance structurale du nAChR a connu ces dernières années un véritable essor, mais la dynamique moléculaire du récepteur est toujours imprécise. Nous avons donc décidé d’étudier la dynamique structurale du nAChR, au cours de la désensibilisation, à l’aide d’une technique développée dans notre laboratoire : le marquage de photoaffinité dynamique. Cette technique repose sur l’incubation, à l’obscurité, d’un agoniste photosensible avec le nAChR, et ceci pendant un temps déterminé à l’aide d’un appareil de mélange rapide. Une photolyse flash permet ensuite de « photographier » le récepteur dans un état conformationnel transitoire. Nous avons dans un premier temps synthétisé l’agoniste photosensible et radiomarqué [3H]AC5 et établi sa caractérisation pharmacologique. Les profils d’incorporation de cette sonde se sont révélés être intimement liés à l’état conformationnel du nAChR. La construction d’un modèle moléculaire, basé sur la structure d’une protéine soluble homologue au nAChR, nous a permis d’entrevoir les réorganisations structurales qui s’opèrent au cours de la désensibilisation du nAChR. Nous proposons un modèle de réarrangement quaternaire dans lequel les sous-unités du nAChR subiraient une rotation concertée, en accord avec la théorie de l’allostérie selon Monod-Wyman-Changeux. The focus of this thesis is the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR), a transmembrane allosteric protein that belongs to the Ligand Gated Ion Channel (LGIC) family. This receptor is located at the postsynaptic membrane of the neuromuscular junction and the neuronal synapse; it converts a chemical signal into an electrical one. Upon binding, the neurotransmitter acetylcholine leads to ion channel gating and to the depolarization of the membrane. Continuous exposure to its agonist drives the nAChR to a closed state: this molecular phenomenon is called desensitization. In the last couple of years considerable progress has been made in the understanding of the nAChR structure, however the dynamics of the receptor is still elusive. We thus sought to study, at the molecular level, the allosteric transitions governing the regulation of the nicotinic receptor. This can be achieved using a technique developed in our laboratory: dynamic photolabelling with photoactivatable cholinergic agonists. Dynamic photoaffinity labeling combines the power of photochemical covalent bond formation with rapid mixing techniques. A stopped-flow mixing device adapted with a photochemical quenching system was used to analyze the structural reorganization at the ACh binding site. We first synthesized the photosensitive radiolabeled nicotinic agonist [3H]AC5. This molecule was then tested for its pharmacological properties. The photoincorporation of this probe is highly dependent on nAChR conformationnal state. A molecular model of the ligand binding domain, based on the atomic structure of a soluble homologous protein, allowed us to propose a model for the allosteric transition governing the nAChR during desensitization. This study suggests a concerted rotation of all five subunits of the nAChR, in agreement with the Monod- Wyman-Changeux theory of allosteric transitions

Prix Nobel de chimie 2022

Selon Sydney Brenner, lauréat du prix Nobel de physiologie ou médecine en 2002, « les progrès de la science dépendent de nouvelles techniques, de nouvelles découvertes et de nouvelles idées, probablement dans cet ordre ». Le prix Nobel de chimie 2022 a été décerné à Carolyn Ruth Bertozzi (université de Stanford, États-Unis), Morten Peter Meldal (université de Copenhague, Danemark), et Karl Barry Sharpless (institut de recherche Scripps, La Jolla, États-Unis) pour le développement de la chimie click et de la chimie bio-orthogonale. Ce prix Nobel récompense dans une large mesure un développement conceptuel dans les techniques de synthèse chimique et de marquages des cellules, mais également des nouvelles découvertes, notamment en cancérologie. Morten Meldal et Barry Sharpless (qui obtient maintenant son deuxième prix Nobel de chimie, après celui de 2001 pour ses travaux sur la catalyse chirale de réactions d’oxydation) ont développé la chimie click, qui permet d’assembler des briques moléculaires rapidement et efficacement. Carolyn Bertozzi, quant à elle, a porté la chimie click à un autre niveau, en permettant son utilisation biologique sur des cellules et même chez l’animal in vivo

Structure et dynamique du récepteur nicotinique

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Un glutamate cagé protégé par une cape pour l’activation optique des synapses in vivo

International audienceNo abstract availabl

Optogenetic pharmacology for control of native neuronal signaling proteins

International audienceThe optical neuroscience revolution is transforming how we study neural circuits. By providing a precise way to manipulate endogenous neuronal signaling proteins, it also has the potential to transform our understanding of molecular neuroscience. Recent advances in chemical biology have produced light-sensitive compounds that photoregulate a wide variety of proteins underlying signaling between and within neurons. Chemical tools for optopharmacology include caged agonists and antagonists and reversibly photoswitchable ligands. These reagents act on voltage-gated ion channels and neurotransmitter receptors, enabling control of neuronal signaling with a high degree of spatial and temporal precision. By covalently attaching photoswitch molecules to genetically tagged proteins, the newly emerging methodology of optogenetic pharmacology allows biochemically precise control in targeted subsets of neurons. Now that the tools for manipulating endogenous neuronal signaling proteins are available, they can be implemented in vivo to enhance our understanding of the molecular bases of brain function and dysfunctions

Optical control of neuronal ion channels and receptors

International audienceLight-controllable tools provide powerful means to manipulate and interrogate brain function with relatively low invasiveness and high spatiotemporal precision. Although optogenetic approaches permit neuronal excitation or inhibition at the network level, other technologies, such as optopharmacology (also known as photopharmacology) have emerged that provide molecular-level control by endowing light sensitivity to endogenous biomolecules. In this Review, we discuss the challenges and opportunities of photocontrolling native neuronal signalling pathways, focusing on ion channels and neurotransmitter receptors. We describe existing strategies for rendering receptors and channels light sensitive and provide an overview of the neuroscientific insights gained from such approaches. At the crossroads of chemistry, protein engineering and neuroscience, optopharmacology offers great potential for understanding the molecular basis of brain function and behaviour, with promises for future therapeutics

Dissection optique du rôle des récepteurs nicotiniques neuronaux à l'aide de récepteurs photo-contrôlables

International audienceNicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are pentameric ligand-gated ion channels widely expressed in the central nervous system and the periphery. They play an important modulatory role in learning, memory and attention, and have been implicated in various diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, epilepsy, schizophrenia and addiction. These receptors are activated by the endogenous neurotransmitter acetylcholine, or by nicotine, the alkaloid found in tobacco leaves. Both molecules open the ion channel and cause the movement of cations across the membrane, which directly affects neuronal excitability and synaptic plasticity. nAChRs are very heterogeneous in their subunit composition (α2-10 et β2-4), in their brain distribution (cortex, midbrain, striatum…) and in their sub-cellular localization (pre- vs post-synaptic, axonal, dendritic…). This heterogeneity highly contributes to the very diverse roles these receptors have in health and disease. The ability to activate or block a specific nAChR subtype, at a defined time and space within the brain, would greatly help obtaining a clearer picture of these various functions. To this aim, we are developing novel optogenetic pharmacology strategies for optically controlling endogenous nAChR isoforms within the mouse brain. The idea is to tether a chemical photoswitch on the surface of a cysteine-modified nAChR, and use light for rapidly and reversibly turning that receptor mutant on and off. Here we will discuss the history of optogenetic pharmacology, and the recent advances for the optical control of brain nicotinic receptors in vivo.Les récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine (nAChR) sont des récepteurs canaux largement distribués dans le système nerveux central (SNC) et en périphérie. Les nAChR neuronaux jouent un rôle modulateur important dans l'apprentissage, la mémoire et l'attention, et sont impliqués dans de nombreuses pathologies aussi variées que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, l'épilepsie, la schizophrénie ou encore l'addiction à la nicotine. L'acétylcholine, neurotransmetteur endogène, et la nicotine, alcaloïde du tabac, entraînent l'ouverture du canal et permettent le passage de cations à travers la membrane plasmique, influençant ainsi l'excitabilité neuronale et la plasticité synaptique. La grande diversité des nAChR neuronaux en termes d'assemblage moléculaire (sous-unités α2-10 et β2-4), de localisation tissulaire (cortex, mésencéphale, striatum…) mais aussi sub-cellulaire (pré- vs post-synaptique, dendritique vs axonale…) contribue aux rôles variés qu'ont ces récepteurs. Pouvoir activer ou inhiber spécifiquement un sous-type de nAChR à un endroit et un instant voulus permettrait d'avancer considérablement dans la compréhension de ses différents rôles physiologiques et pathologiques. À cette fin sont développées des techniques innovantes de pharmacologie optogénétique qui permettent de contrôler optiquement des sous-types de nAChR endogènes. L'idée est de greffer un nano-interrupteur chimique sur un nAChR modifié génétiquement afin d'utiliser la lumière pour photo-contrôler spécifiquement et précisément ce récepteur modifié. Nous discuterons ici de l'historique de la technique, mais aussi des dernières avancées technologiques dans le contrôle optique de récepteurs endogènes et dans la mise en œuvre de ces outils in vivo

Optogenetic Control of Mammalian Ion Channels with Chemical Photoswitches

International audienceIn neurons, ligand-gated ion channels decode the chemical signal of neurotransmitters into an electric response, resulting in a transient excitation or inhibition. Neurotransmitters act on multiple receptor types and subtypes, with spatially and temporally precise patterns. Hence, understanding the neural function of a given receptor requires methods for its targeted, rapid activation/inactivation in defined brain regions. To address this, we have developed a versatile optochemical genetic strategy, which allows the reversible control of defined receptor subtypes in designated cell types, with millisecond and micrometer precision. In this chapter, we describe the engineering of light-activated and -inhibited neuronal nicotinic acetylcholine receptors, as well as their characterization and use in cultured cells