Implication des récepteurs de la mélatonine dans les troubles neurologiques et le diabète de type 2 et identification de régions clés du récepteur MT1 responsables de sa sélectivité fonctionnelle
Thesis or Dissertation
2018-10 (degree granted: 2019-03-07)
Author(s)
Level
DoctoralDiscipline
Biologie moléculaireKeywords
- Mélatonine
- Récepteurs couplés aux protéines G
- Dopamine
- Transporteur
- Neurobiologie
- Diabète de type 2
- Variant génétique
- Structure
- Signalisation
- Melatonin
- G protein-coupled receptors
- Transporter
- Neurobiology
- Type 2 diabetes
- Genetic variant
- Signaling
- Biology - Molecular / Biologie - Biologie moléculaire (UMI : 0307)
Abstract(s)
La mélatonine est une neurohormone produite principalement par la glande pinéale de
manière circadienne et agissant par l’activation de deux récepteurs couplés aux protéines G
(RCPGs) appelés MT1 et MT2. La mélatonine régule de nombreuses fonctions physiologiques
importantes. La régulation des niveaux de dopamine (DA) et de glucose en font partie mais nous
ne savons pas clairement comment la mélatonine les régule.
Les niveaux de DA extracellulaire sont principalement régulés par son transporteur (DAT)
responsable de sa recapture dans les neurones présynaptiques afin de prévenir d’une
hyperactivation des récepteurs dopaminergiques. Par conséquent, nous avons vérifié le rôle de DAT
dans la régulation du système dopaminergique par le système mélatoninergique. Nous avons
montré qu’en interagissant avec la forme immature non-glycosylée de DAT, MT1 et MT2 le
retiennent dans le réticulum endoplasmique régulant ainsi son expression à la surface cellulaire et
donc la recapture de la DA. De la même manière, les souris déficientes en MT1 ou MT2 ont montré
une augmentation de la recapture de la DA dans les synaptosomes de striatum et une baisse de
l’hypermotilité induite par l’amphétamine. Dans ce projet nous avons ainsi révélé un nouveau lien
entre les systèmes mélatoninergiques et dopaminergiques basé sur la formation de complexes
moléculaires entre les récepteurs de la mélatonine et DAT.
Afin de mieux comprendre le rôle de la mélatonine dans la régulation des niveaux de glucose, nous
avons ensuite étudié l’implication de variants génétiques de MT2 dans le développement du diabète
de type 2 (DT2). Des études antérieures avaient montré que des variants naturels défectueux
fonctionnellement étaient associés à un risque de développer le DT2. Afin de déterminer plus
précisément les propriétés défectueuses en lien avec le DT2, nous avons mesuré l’activation
spontanée et celle induite par la mélatonine de 40 variants MT2. Nous avons ainsi montré que des
défauts d’activation des protéines Gαi et Gαz induite par la mélatonine et de recrutement spontané
de la βarrestine-2 sont significativement reliés à un risque de développer le DT2. Les résultats
expérimentaux corrélaient avec les prédictions de l’analyse sur le score d’évolution. Ce travail
permettra de nouvelles avancées dans la recherche de traitements personnalisés pour les personnes
portants les mutations sur MT2 afin qu’il retrouve une réponse non défectueuse.
Le séquençage du gène codant pour MT1 chez 9393 personnes a permis l’identification de 32
variants naturels MT1. Le récepteur MT1 sauvage et les variants ont ainsi été caractérisés grâce aux
techniques de transfert d’énergie par résonnance de bioluminescence (BRET). Nous avons montré
que MT1 active les protéines Gαi/o, Gα12 et Gα15 et recrute la βarrestine-2. L’analyse des résultats
par factorisation matricielle non linéaire a révélé l’existence de 5 clusters caractérisés par différents
profils de signalisation. La modélisation 3D par homologie de MT1 a permis de déterminer l’impact
de chaque variant sur l’activation du récepteur et ses interactions avec les protéines G et la
βarrestine-2. Ce projet a ainsi permis de démontrer que des variants naturels sont très intéressant
afin de comprendre les mécanismes d’action des RCPGs.
En résumé, ce travail contribue à la compréhension des fonctions des récepteurs à la mélatonine et
souligne leur importance dans la régulation du système dopaminergique et de l’homéostasie
glucidique. Nos résultats offrent de nouvelles perspectives dans la recherche de nouveaux
traitements personnalisés pour les patients souffrant d’un dérèglement du système dopaminergique
ou de DT2. Melatonin is a neurohormone mainly released from the pineal gland in a circadian
manner acting through two G protein-coupled receptors (GPCRs) called MT1 and MT2. Melatonin
regulates many important physiological functions. Regulation of dopamine (DA) and glucose levels
are two of them but how they do this is not clear.
Extracellular DA levels are mainly regulated by its transporter (DAT) which mediates DA reuptake
into presynaptic nerve termini to prevent DA receptor hyperactivation in the presynaptic
cleft. Consequently, we verified the role of DAT in the regulation of the DA system by melatonin.
We showed that MT1 and MT2, by interacting with the immature non-glycosylated form of DAT
retain DAT in the endoplasmic reticulum thus regulating DAT cell surface expression and DA
reuptake. Consistently, mice with targeted deletion of MT1 and MT2 show markedly enhanced DA
uptake in striatal synaptosomes and decreased amphetamine-induced locomotor activity.
Collectively, we revealed here a molecular link between the melatonin and DA systems, which is
based on the formation of a molecular complex between melatonin receptors and DAT.
To better understand the role of melatonin on the regulation of glucose levels, we studied the
involvement of genetic variants of MT2 in the development of type 2 diabetes (T2D). Previous
studies showed that natural loss-of-function variants of MT2 associate with T2D risk. To determine
more precisely the defective properties linked to T2D risk we monitored spontaneous and
melatonin-induced activation of different signaling pathways by 40 MT2 variants. We show that
defects in melatonin-induced Gαi and Gαz activation and spontaneous βarrestin-2 recruitment are
most significantly associated to T2D risk. Experimental results correlated well with those predicted
by evolutionary lineage analysis. This work will help to propose personalized treatments for MT2
variant carriers to recover their defective responses.
Sequencing of MT1 gene of 9393 individuals resulted in the identification of 32 natural MT1
variants. MT1 wild-type and variants were functionally characterized in bioluminescence resonance
energy transfer (BRET) assays. We showed that MT1 activates Gαi/o, Gα12 and Gα15 proteins and
recruits βarrestin-2. Analyzes of results by non-linear matrix factorization revealed the existence
of 5 clusters characterized by different signaling profiles. Computational homology modeling of
the 3D model of MT1 helped to determine the impact of each variant on receptor activation and
interaction with G proteins and βarrestin-2. Collectively, our data illustrate that natural variants are
powerful tools to understand the molecular basis of GPCR function.
Overall, this work contributes to our understanding of the function of melatonin receptors and
highlights their importance in the regulation of the DA system and glucose homeostasis. Our results
will open new, personalized therapeutic options for patient suffering from a defective DA system
or T2D.
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