Mechanism and function of nuclear HCAR1

Abstract

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont une famille de protéines hautement conservée chez les eucaryotes et constituent la plus grande famille de récepteurs. Ces récepteurs sont impliqués dans presque tous les processus physiologiques, mais leur capacité à réguler un vaste éventail de processus biologiques différents fait l'objet de recherches intenses. Bien qu'ils soient classiquement considérés comme des récepteurs de la membrane plasmique, les RCPG sont présents dans tous les organites membranaires intracellulaires et certains d'entre eux ont la capacité de transduire des signaux à partir de ces organites. La signalisation d'un RCPG à partir de ces organelles intracellulaires est appelée signalisation biaisée par la localisation et cette signalisation peut avoir un résultat fonctionnel différent de celui des événements de signalisation du récepteur localisé dans la membrane plasmique. La signalisation biaisée par la localisation est un concept émergent en biologie des RCPG et peut ajouter une couche supplémentaire à la fonction du récepteur. D'autre part, avec la détection de certains RCPG à l'intérieur de différents organites, y compris le noyau, une modalité fonctionnelle non réceptrice pour les RCPG pourrait être postulée et pourrait également expliquer les divers rôles de cette famille. Cependant, cet aspect est presque entièrement inexploré. HCAR1 (GPR81), en tant que RCPG, est activé de manière endogène par le lactate et il a été démontré qu'il favorise la malignité du cancer en favorisant un niveau plus élevé de glycolyse dû à l'effet Warburg et cela par différentes voies. Son niveau d'expression est très élevé dans de nombreux cancers et présente une corrélation négative avec le pronostic du patient. Cependant, son mécanisme d'action n'est pas bien compris. Dans cette thèse, nous avons étudié la localisation nucléaire et les rôles potentiels du HCAR1 et nous avons découvert que ce récepteur est localisé à la membrane nucléaire et à l'intérieur du noyau, en plus de sa localisation à la membrane plasmique. Le HCAR1 nucléaire (N-HCAR1) est capable d'induire une signalisation intranucléaire basée sur la localisation pour induire la phosphorylation de ERK et d’AKT dans le noyau. En utilisant des approches protéomiques et génomiques, nous avons découvert que N-HCAR1 est impliqué dans plusieurs fonctions non réceptrices régulant différents processus à travers ses interactomes nucléaires. Ce regroupement nucléaire de HCAR1, en fonction de ses facteurs de liaison, favorise la traduction des protéines, la biogenèse ribosomale et la réparation des dommages à l'ADN. De manière intéressante, N-HCAR1 interagit également avec des facteurs de remodelage de la chromatine et régule directement l'expression des gènes d'après notre séquençage ChIP à l'échelle du génome. Nous avons également effectué un séquençage de l’ARN et les résultats montrent que N-HCAR1 régule l'expression d'un réseau de gènes plus large que son homologue de la membrane plasmique. Notamment, l'exclusion nucléaire de HCAR1 s'est avérée avoir le même effet que son knockdown complet sur la croissance tumorale et les métastases in vivo. Nos données révèlent une signalisation basée sur la localisation et des fonctions non canoniques pour un RCPG dans le noyau par lesquelles HCAR1 peut réguler différents processus cellulaires.

G Protein-Coupled Receptors (GPCR) are a highly conserved protein family in eukaryotes through evolution and they are the largest receptor family. These receptors are virtually involved in every physiological processes, but their ability to regulate such a vast array of different biological processes is under intense investigation. Although classically considered a plasma membrane receptor, GPCRs are found in every intracellular membranous organelle and some of them are shown to have the capacity for signal transduction from those organelles. The signaling of a GPCR from these intracellular organelles is called location-biased signaling and this signaling could have a different functional output than the signaling events from the plasma membrane-localized receptor. Location-biased signaling is an emerging concept in the GPCR biology and can add an extra layer to the receptor function. On the other hand, with the detection of some GPCRs inside different organelles including the nucleus, a non-receptor functional modality for GPCRs could be postulated and could also account for the diverse roles of this family. However, this aspect is almost entirely unexplored. HCAR1 (GPR81), as a GPCR, is endogenously activated by lactate and has been shown to promote cancer malignancy via a higher level of glycolysis due to the Warburg effect, through different pathways. Its expression level is highly elevated in many cancers and negatively correlates with the patient’s prognosis. However, its mechanism of action is not well understood. In this thesis, we investigated the nuclear localization and potential roles of HCAR1 therein and we found this receptor is localized to the nuclear membrane and inside the nucleus, besides its plasma membrane localization. The Nuclear HCAR1 (N-HCAR1) is capable of inducing location-biased signaling intranuclearly to induce nuclear-ERK and AKT phosphorylation. Using proteomics and genomics approaches, we discovered that N-HCAR1 is involved in several different non-receptor functions regulating different processes through its nuclear interactomes. This nuclear pool of HCAR1, depending on its binding factors, promotes protein translation, ribosomal biogenesis, and DNA-damage repair. Interestingly, N-HCAR1 also interacts with chromatin remodeling factors and directly regulates gene expression based on our genome-wide ChIP-sequencing. We also performed RNA-seq, and the results show N-HCAR1 regulates the expression of a broader gene network than its plasma membrane counterpart. Notably, nuclear exclusion of HCAR1 proved to have the same effect as its complete knockdown on tumor growth and metastasis in vivo. Our data reveal location-biased signaling and non-canonical functions for a GPCR in the nucleus by which HCAR1 can regulate different cellular processes.