Utilisation de méthodes computationnelles innovantes dans l'étude des mécanismes d'activation des récepteurs métabotropique du glutamate

Use of innovative computational methods to study the activation mechanisms of metabotropic glutamate receptors

• Auteur / Autrice : Alexandre Cabayé
• Direction : Francine Acher, Hugues-Olivier Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modélisation moléculaire
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie et Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Dassault systèmes
• Jury : Président / Présidente : Alexandre de Brevern
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre de Brevern, Esther Kellenberger, Serge Antonczak, Jean-Philippe Pin, Anne Goupil-Lamy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Esther Kellenberger, Serge Antonczak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurones

Système nerveux central

Acide N-acétyl-neuraminique

Arginine

Drosophila

Protéines membranaires

métabolisme

Lysosomes

Régulation allostérique

Simulation de docking moléculaire

Simulation de dynamique moléculaire

agonistes

Récepteurs métabotropes au glutamate

Dynamique moléculaire

Lysosomes

Neurones

Système nerveux central

Acides sialiques

Arginine

Drosophiles

Antagonistes

Agonistes

Récepteurs du glutamate

Récepteurs métabotropiques

Protéines membranaires

Mots clés libres

MGlu

Map

Man

Mangetout

Asc-1

D-Serine

Sialine

Modèle par homologie

GaMD

Targeted MD

Métadynamique

MGlu

Pam

Nam

Mangetout

Asc-1

D-Serine

Sialine

Homology models

GaMD

Targeted MD

Metadynamics

Résumé

Les récepteurs métabotropiques du glutamate (mGlu) appartiennent à la classe C de la famille des récepteurs couplés aux protéines G, caractérisée par un domaine extracellulaire bilobé, s'appelant le domaine « Venus Flytrap » (VFD), et par leur fonctionnement obligatoire en dimère. Simuler le mécanisme d'activation de ces larges récepteurs est un réel défi, car il a été défini qu'ils ont un temps d'activation de l'échelle de la milliseconde, alors que les simulations actuelles ne peuvent produire que des centaines de nanosecondes à quelques microsecondes. Afin de palier à cette limitation, nous avons utilisé deux techniques, la première étant la dynamique moléculaire accéléré gaussienne (GaMD) et la seconde étant la dynamique moléculaire ciblé (targeted MD). Nous avons porté notre intérêt sur le récepteur mGlu2, qui peut jouer un rôle dans plusieurs maladies neurologiques et troubles psychiatriques, tels que l'épilepsie, la maladie de Parkinson, les douleurs chroniques, ou bien la schizophrénie. Premièrement, nous avons pour la première fois modélisé ce récepteur dans sa totalité, en se basant sur la structure du récepteur mGlu5 entier. Nous avons modélisé un dimère actif (Acc) avec les deux VFDs fermés et liés à un agoniste, le Me-CCG, ainsi qu'un dimer inactif (Roo) avec les deux VFDs ouverts mais aussi liés à cet agoniste. Comme toutes les structures disponibles du domaine transmembranaire (TMD) étaient dans un état inactif, il en a été de même pour nos modèles. Notre premier objectif était de simuler une transition vers une activation totale du modèle Acc (jusqu'aux TMDs) et d'étudier les résidus impliqués. Néanmoins, notre objectif le plus ambitieux fut de simuler les chemins d'activation d'un modèle à l'autre, ce que nous avons fait avec succès. En plus du projet principal, nous avons réalisé d'autres études sur des récepteurs. La première porte sur la sensibilité des récepteurs mGlu du groupe-II aux ions chlorures, amenant à une meilleure compréhension de leur mécanisme d'activation. Les seconde et troisième portent sur la découverte de nouveaux agonistes des récepteurs mGlu du groupe-III, et de leur mode de liaison unique pour cette famille, à deux sites simultanément (orthostérique et ionique), et d'un modulateur allostérique. La quatrième porte sur un récepteur mGlu homologue chez la Drosophile, le récepteur Mangetout (Mtt), pour lequel nous avons découvert le mode de liaison de l'agoniste endogène, l'arginine, et d'un autre agoniste en présence et en l'absence d'ions Ca2+. Nous avons aussi publié deux études sur des transporteurs membranaires impliqués dans un trouble psychiatrique et une maladie génétique rare. La première, sur le transporteur de l'alanine-sérine-cystéine 1 (Asc-1), capable de transporter des deux côtés de la membrane plasmique la D-sérine, un agoniste naturel du récepteur NMDA. Nous y discutons qu'un contrôle fin de l'absorption et de la libération de la D-sérine, par Asc-1 à l'aide de petites molécules, pourrait être une piste prometteuse afin de réduire les symptômes de la schizophrénie, dus à l'hypofonctionnement des récepteurs NMDA. La deuxième étude porte sur la sialine, un transporteur régulant l'absorption et la libération lysosomale d'acides sialiques. Cependant dans le cas de la maladie génétique rare de Salla, la simple mutation R39C entraine un acheminement partiel du transporteur jusqu'aux lysosomes, entrainant une diminution de près de 80% de l'activité de transport. Nous avons enquêté sur le mode d'interaction d'un ligand non compétitif de l'absorption mais compétitif de l'efflux. Étonnamment, les études pharmacologiques ont montré un effet chaperon pouvant faciliter le ré-adressage partiel du transporteur au lysosome, et ainsi réduire les symptômes les plus graves de la maladie.

The metabotropic glutamate (mGlu) receptors belong to class C G-protein coupled receptor family, characterized by a large bilobate extracellular domain named Venus Flytrap Domain (VFD), and by functioning as mandatory dimers. Simulating the activation motions of large protein receptors, such as the mGlu receptors, can be challenging. Indeed, it is known that mGlu receptors' activation motion occurs on a millisecond time-scale, when actual computer simulations can produce a few hundred nanoseconds up to few microseconds. To overcome this issue, we used two technics; one called Gaussian accelerated Molecular Dynamics (GaMD), and the other called targeted Molecular Dynamics (tMD). We focused our interest on the mGlu2 receptor, which can have a role in treating several neurological diseases and psychiatric disorders, such as epilepsy, Parkinson's disease, chronic pain, or schizophrenia. First, we had to tackle the challenge of modelling for the first time, a full-length model of this receptor, based on the recently published structure of mGlu5 receptor. We chose to build an active dimer (Acc) with both VFDs closed and bound to a well-known agonist, 3Me-CCG, as well as a resting dimer (Roo) with open VFDs, also bound to the same ligand (on the upper lobe of the VFD). As all available structures for the transmembrane domain (TMD) were in an inactive state, so it was for our models. Our first goal for the simulations was to explore a transition towards a fully active state of the Acc model (up to the TMDs) and potentially the key residues controlling it. Nevertheless, our second and most ambitious goal was to simulate the full transition from the Roo to the Acc state, which we have successfully achieved. In addition to the main project, we carried out several side studies on mGlu receptors and homologous in Drosophila. Our first side study is on the chloride sensitivity of the group-II mGlu receptors, leading to a better understanding of their activation mechanism. The second and third studies are about the discovery of new agonists of the group-III mGlu receptors and their unique binding mode among this protein family at dual sites simultaneously (orthosteric and ionic site), and about an allosteric modulator. The fourth study is about a homologous mGlu receptor discovered in the Drosophila, the Mangetout receptor (Mtt), for which we found the binding mode of the endogenous agonist, the arginine, and another agonist in the presence and absence of Ca2+ ions. We also reported on two studies on membrane transporters involved in a psychiatric disorder and a rare genetic disease. The first one is on the alanine-serine-cysteine transporter-1 (Asc-1), which is a transporter that can carry from both sides of the plasma membrane, the D-serine, a natural agonist of the NMDA receptors. We discussed that the fine control of the D-serine uptake and efflux by Asc-1 with small molecules might be a promising lead to alleviate the symptoms of schizophrenia, associated to an NMDA hypofunction. The second study is on the sialic acid transporter (sialin) that regulates the lysosomal efflux and uptake of sialic acids. However, in the rare genetic Salla disease, the single mutation R39C leads to a partial sorting of the transporter to the lysosomes, hence reducing transport by 80%. Here we investigated the binding mode of an uptake noncompetitive antagonist, but efflux competitive. Surprisingly, pharmacological studies showed a chaperon effect that could help to rescue, at least partially, the lysosomal trafficking, and thus reducing significantly the disease's symptoms.