Architecture moléculaire des récepteurs NMDA : Arrangement tétramérique et interfaces entre sous-unités Morgane Riou To cite this version: Morgane Riou. Architecture moléculaire des récepteurs NMDA : Arrangement tétramérique et inter- faces entre sous-unités. Neurosciences [q-bio.NC]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. Français. NNT : 2014PA066081. tel-01020863 HAL Id: tel-01020863 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01020863 Submitted on 8 Jul 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THESE DE DOCTORAT De l’Université Pierre et Marie Curie - Paris VI Ecole Doctorale Cerveau Cognition Comportement ARCHITECTURE MOLECULAIRE DES RECEPTEURS NMDA : ARRANGEMENT TETRAMERIQUE ET INTERFACES ENTRE SOUS-UNITES Présentée par : Morgane RIOU Institut de Biologie de l' Ecole Normale Supérieure (IBENS) CNRS UMR8197, INSERM U1024 Ecole Normale Supérieure, 46 rue d’Ulm, 75005 Paris Direction Générale de l' Armement Soutenue le 28 février 2014 devant le jury composé de : Pr. Germain TRUGNAN Président Dr. David PERRAIS Rapporteur Dr. Pierre CHARNET Rapporteur Dr. Antoine TALY Examinateur Dr. Pierre PAOLETTI Directeur de Thèse 1 2 Table des Matières Table des Figures .................................................................................................................7 Résumé ...................................................................................................................................11 Remerciements ................................................................................................................... 13 A propros ............................................................................................................................. 15 PREMIERE PARTIE : INTRODUCTION ............................................................. 17 1. INTRODUCTION SUR LES RECEPTEURS-CANAUX ........................................... 19 1.1. Bref historique de la recherche sur les canaux ioniques ................................... 19 1.2. Aperçu général des canaux ioniques activés par les ligands ............................. 24 1.3. Les récepteurs-canaux trimériques ...................................................................... 27 1.4. Les récepteurs-canaux tétramériques .................................................................. 29 1.5. Les récepteurs-canaux pentamériques ................................................................ 30 2. RECEPTEURS DU GLUTAMATE ............................................................................... 35 2.1. Récepteurs métabotropiques du glutamate ........................................................ 37 2.2. Récepteurs-canaux (ou ionotropiques) du glutamate ......................................... 39 2.2.1. Propriétés générales des récepteurs-canaux du glutamate................................ 39 2.2.2. Récepteurs AMPA........................................................................................... 44 2.2.3. Récepteurs kainate............................................................................................ 47 2.2.4. Récepteurs delta................................................................................................ 50 2.2.5. Récepteurs NMDA................................................................................ ............ 52 2.2.5.1. Diversité moléculaire et distribution des sous-unités ............................. 52 3 Table des Matières 2.2.5.2. Propriétés biophysiques ........................................................................... 57 2.2.5.3. Modulations allostériques ........................................................................ 63 2.2.5.4. Rôle des NTDs dans la régulation de l’activité des récepteurs NMDA ... 72 2.2.5.5. Physio-pathologie des récepteurs NMDA ................................................ 77 2.2.6. Architecture moléculaire et organisation modulaire des récepteurs-canaux du glutamate....................................................................................................................... 81 2.2.6.1. Topologie membranaire et organisation modulaire ................................ 81 2.2.6.2. Arrangement tétramérique des iGluRs .................................................... 97 2.2.7. Mécanismes structuraux d’activation..............................................................104 2.2.8. Mécanismes structuraux de désensibilisation................................................. 108 3. BIOGENESE ET ARRANGEMENT DES RECEPTEURS-CANAUX DU GLUTAMATE ................................................................................................................ 114 3.1. Assemblage des récepteurs-canaux .................................................................... 115 3.2. L’assemblage et l’arrangement des sous-unités au sein d’un récepteur AMPA tétramérique se fait en plusieurs étapes ................................................................ 117 3.3. Cas particulier des récepteurs NMDA hétérotétramériques ............................ 124 4. UNE NOUVELLE APPROCHE : UTILISATION D'ACIDES-AMINES NON- NATURELS POUR L'ETUDE DES RECEPTEURS-CANAUX ............................. 127 4.1. L'incorporation d’UAAs génétiquement encodés : une technologie innovante basée sur l’expansion du code génétique ........................................... 127 4.1.1. Rappel historique sur la méthodologie des UAAs......................................... 128 4.1.2. Concept d'expansion du code génétique........................................................ 131 4.2. Applications biologiques de l'expansion du code génétique ............................ 134 4.2.1. Etude des interactions protéine-protéine et protéine-ligand........................... 135 4.2.2. Détection de changements conformationnels................................................. 138 4.2.3. Contrôle de l'état d’activation d'une protéine avec des UAAs photo-cagés... 144 4.2.4. Etude des modifications post-traductionnelles............................................... 145 4.3. Utilisation des UAAs dans l’étude des récepteurs membranaires .................. 146 4.3.1. Applications aux récepteurs couplés aux protéines G.................................... 146 4.3.2. Applications aux récepteurs-canaux.............................................................. 147 4.4. Expansion du code génétique: perspectives et applications in vivo ................ 148 4 Table des matières DEUXIEME PARTIE RESULTATS ......................................................................151 1. ARRANGEMENT DES SOUS-UNITES AU SEIN D'UN RECEPTEUR NMDA TETRAMERIQUE .......................................................................................................153 1.1. Contexte de l'étude ............................................................................................ 153 1.1.1. Arrangement multimérique des récepteurs-canaux........................................ 153 1.1.2. Arrangement des sous-unités dans un récepteur AMPA................................ 155 1.1.3. Le cas des récepteurs NMDA : un arrangement débattu................................ 157 1.1.4. Approche adoptée dans cette étude................................................................ 162 1.2. Article 1 ................................................................................................................ 163 1.3. Discussion ............................................................................................................. 173 1.3.1. Principaux résultats........................................................................................ 173 1.3.2. Quid des autres sous-types de récepteurs NMDA ?....................................... 180 1.3.2. L'arrangement des récepteurs GluN1/GluN2 : la controverse relancée........ 182 1.3.3. Perspectives.................................................................................................... 189 1.3.4. Asymétrie structurale et fonctionnelle des sous-unités dans un récepteur-canal du glutamate...................................................................................................... 190 2. INCORPORATION D’ACIDES-AMINES NON-NATURELS DANS LES RECEPTEURS NMDA : IMPLEMENTATION ET APPLICATION POUR L’ETUDE DES INTERFACES ENTRE SOUS-UNITES ET DE LEUR DYNAMIQUE ............................................................................................................... 195 2.1. Incorporation d’acides-aminés non-naturels génétiquement encodés dans les récepteurs NMDA exprimés en ovocytes de Xénope ........................................... 195 2.1.1. Contexte de l'étude......................................................................................... 195 2.1.2. Article 2......................................................................................................... 199 2.1.3. Discussion...................................................................................................... 207 2.2. Création d'un récepteur NMDA contrôlé par la lumière par incorporation d'acides-aminés photo-réactifs : application à l'étude