Étude des mécanismes d'action du récepteur de chimiokine CXCR7/ACKR3

Abstract

Le récepteur de chimiokine CXCR7 découvert récemment a été identifié comme liant la chimiokine CXCL12, qui était, jusqu’à ce jour, considérée comme ligand exclusif du récepteur de chimiokine CXCR4 (Balabanian et al., 2005). Ces deux récepteurs se trouvent exprimés au sein des mêmes types cellulaires. Étant donné son rôle de corécepteur d’entrée du VIH ainsi que son rôle dans le cancer, CXCR4 a grandement suscité l’intérêt pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques. L’AMD3100, un antagoniste de CXCR4 maintenant commercialisé pour la mobilisation des cellules souches dans la circulation sanguine a été identifié comme liant, lui aussi, le récepteur de chimiokine CXCR7 (Kalatskaya et al., 2009). D’ailleurs, l’AMD3100 agit plutôt comme agoniste sur CXCR7 en induisant le recrutement de la β-arrestine à ce dernier. Ainsi, ces constatations incitent à réévaluer la sélectivité de la molécule thérapeutique TC14012, développée pour cibler exclusivement le récepteur CXCR4 comme agent anti-VIH. En résumé, à l’aide de la technique de BRET, nos résultats montrent que le TC14012 est, lui aussi, en mesure de lier le récepteur de chimiokine CXCR7. Tout comme pour l’AMD3100, le TC14012 agit comme agoniste sur CXCR7. Contrairement à CXCR4, les deux molécules induisent le recrutement de la β-arrestine. Nous observons que c’est le réarrangement spatial du corps des récepteurs CXCR4 et CXCR7 qui est responsable des effets respectifs opposés. Dans un deuxième temps, la liaison de différents ligands à un même récepteur peut activer de façon préférentielle une voie de signalisation intracellulaire au détriment d’une autre. Ce concept est défini comme étant la sélectivité fonctionnelle. En plus de la chimiokine CXCL12, CXCR7 possède un autre ligand naturel endogène soit la chimiokine CXCL11. Le fait que CXCR7 possèdent deux ligands naturels endogènes suggère que ceux-ci pourraient induire des réponses intracellulaires différentes mettant de l’avant le concept de la sélectivité fonctionnelle. Il a été découvert que même s’il existe une ressemblance structurelle entre les chimiokines, elles peuvent avoir différents effets sur la signalisation intracellulaire. Cela peut, entre autre, se produire grâce des changements de conformation distincts au sein du récepteur (Zidar et al., 2009). Notamment, nous avons observé qu’il existe bien une différence au niveau du comportement qu’adopte le récepteur lorsqu’il est en complexe avec ses ligands endogènes naturels (CXCL11 ou CXCL12) et la β-arrestine. En mutant le motif E/DRYLAIV du récepteur CXCR7, nous avons identifié le résidu arginine (R) comme étant nécessaire pour l’interaction de la β-arrestine à CXCR7 suite à sa stimulation par CXCL11 et non par CXCL12. Contrairement à CXCL12, nous montrons qu’en présence de CXCL11, CXCR7 retarde voire annule son recyclage à la surface cellulaire. Ce retard ou cette absence de recyclage de CXCR7 de type sauvage en présence de CXCL11 est complètement abroger lorsque le résidu arginine (R) du motif E/DRYLAIV du récepteur CXCR7 est substitué par un résidu alanine. Également, nous avons observé qu’en absence de la β-arrestine, la dégradation de la chimiokine CXCL11 était moins efficace. Ainsi, le transport intracellulaire de CXCR7 est dépendant de la β-arrestine et est ligand-dépendant.

The recently discovered chemokine receptor CXCR7 was found to bind CXCL12, a chemokine previously thought to be an exclusive ligand of the CXCR4 chemokine receptor (Balabanian et al., 2005). It appears that those two receptors are expressed in similar cell types. Considering its roles as a co-receptor for the cellular entry of HIV and also its potent roles in cancer, CXCR4 has now become an interesting target for the development of new therapeutic molecules. AMD3100, a CXCR4 antagonist now approved for hematopoïetic stem cell mobilization, was also found to bind the CXCR7 chemokine receptor (Kalatskaya et al., 2009). In fact, AMD3100 acts as a CXCR7 agonist by inducing β-arrestin recruitement to the receptor. These new findings prompt investigators to reevaluate the selectivity of a therapeutic molecule developed to target exclusively the CXCR4 receptor, TC14012, as an anti-HIV drug. Using BRET technology, our results demonstrate that TC14012 is also capable of binding the CXCR7 chemokine receptor. As does AMD3100, TC14012 acts as an agonist on CXCR7. However, as opposed to CXCR4, the two molecules induce β-arrestin recruitment. We observe that it the spatial rearrangement of the CXCR4 and CXCR7 bodies that is responsible for these opposite effects. Functional selectivity is defined when different ligands bind a single receptor, and each ligand preferentially activates intracellular signaling pathways in favors of others. In addition to the CXCL12 chemokine, CXCR7 also has an other natural ligand, the CXCL11 chemokine. The fact that CXCR7 has two endogenous ligands highlights the concept of functional selectivity. It was discovered that even if a structural resemblance exists between chemokines, they can have diverging roles on intracellular signaling. This is thought to be due, at least in part, to distinct conformational change in the receptor (Zidar et al., 2009). We observed that there is indeed a difference in behavior in the receptor when it is complexed-bound to its endogenous ligands CXCL11 or CXCL12, and β-arrestine. Using directed mutagenesis of the E/DRY/LAIV motif of the CXCR7 receptor, we identified the arginine residue to be necessary for the CXCR7/β-arrestin interaction, upon stimulation with CXCL11, but not CXCL12. As opposed to CXCL12, we show that upon CXCL11 stimulation, CXCR7 significantly delays surface recycling. Additionally, we observed that this delay is completely abrogated by the substitution of arginine residue (R) at position 3.50 within the highly conserve motif E/DRYLAIV of the receptor with an alanine (A) (CXCR7-R142A). Also, we observed that in absence of β-arrestin, the degradation of the CXCL11 chemokine was less efficient. Take together, we demonstrate that β-arrestin recruitment to CXCR7 and cell surface expression of CXCR7 is ligand specific. Arginine residue (R) at position 3.50 within the highly conserve motif E/DRYLAIV of the CXCR7 receptor is important for cell surface expression and β-arrestin recruitment in response to CXCL11. In summary, our study highlights the concept of functional selectivity between CXCR7 and its two ligands CXCL11 and CXCL12.