Projet ANR-10-BLAN-1619 – GPCRnet : Déchiffrage du réseau de signalisation dépendant des béta-arrestines induit par les récepteurs couplés aux protéines G.
Programme : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Génomique, génomique fonctionnelle, bioinformatique, biologie systémique (Blanc SVSE 6)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Eric Reiter (INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE TOURS)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique; Institut national de la recherche agronomique
Montant : 599970.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Décoder le système d’information cellulaire: un pas vers de nouveaux médicamentsLes récepteurs membranaires sont la cible de la majorité des médicaments. Comprendre comment, une fois activé, ils pilotent le destin cellulaire est un enjeu majeur qui nécessite la mise en place d’approches pluridisciplinaires combinant biologie à haut débit et modélisation mathématique.
Clarifier le rôle des béta-arrestines pour découvrir de nouveaux médicamentsLes récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) sont impliqués dans la majorité des processus physiologiques et pathologiques. De plus, ils sont la cible de près de 50% des médicaments actuels. L’objectif de GPCRnet est de mieux comprendre les mécanismes qui relaient le flux d’information depuis les GPCRs activés vers les compartiments intracellulaires. Il est connu depuis longtemps que les protéines G jouent un rôle central dans ces processus. Cependant, il est maintenant admis que la majorité des GPCRs peuvent également transmettre des signaux à l’intérieur de la cellule via un mécanisme qui fait intervenir les béta-arrestines et qui est indépendant des protéines G. Nous voulons disséquer les contributions respectives des béta-arrestines et des protéines G dans la réponse biologique aux GPCRs. Ce projet permettra par exemple de mettre en évidence si les béta-arrestines induisent un mécanisme de signalisation unique ou si cette signalisation dépend du GPCR auquel elles s’associent. Plus généralement, le projet devrait fournir un cadre conceptuel permettant de comprendre et peut-être d’anticiper comment un signal extracellulaire qui active un GPCR se traduit par une réponse physiologique ou pathologique donnée. Jusqu’à présent, seule la composante dépendant des protéines G a été considérée pour la recherche de nouveaux médicaments. La prise en compte des béta-arrestines pourrait conduire à la découverte de nouveaux médicaments potentiellement plus spécifiques.
Des approches à haut-débit et des modèles mathématiques pour comparer trois récepteursTrois GPCRs modèles sont comparés dans un même contexte cellulaire: les récepteurs de l’hormone folliculo-stimulante (RFSH), type 2C et 4 de la sérotonine (R5HT2C and R5HT4). Les effets de déplétions sélectives des béta-arrestines sur les voies de signalisation cellulaire et sur la régulation des gènes sont mesurés par plusieurs approches à haut débit. Les flux d’information cellulaire déclenchent des phénomènes de phosphorylation en cascade. Nous mettons en œuvre des approches quantitatives d’analyse des protéines à haut débit afin d’identifier les phosphorylation/déphosphorylation qui dépendent des béta-arrestines. Ces résultats sont ensuite validés et approfondis grâce à une méthode de puce à protéine qui permet de comparer plusieurs milliers d’échantillons biologiques en une seule expérience. La phosphorylation des béta-arrestines elles-mêmes est également étudiée en détail. En parallèle, des puces à ADN permettent de mesurer exhaustivement la régulation des gènes et ainsi d’identifier les gènes dépendants des béta-arrestines. Cette masse de donnée est ensuite utilisée pour construire et calibrer des modèles mathématiques. L’étude par simulation de ces modèles débouchera sur des prédictions originales qui seront en retour testées expérimentalement, y compris dans des cellules « authentiques » comme des neurones pour les récepteurs de la sérotonine ou des cellules gonadiques pour le récepteur de l’hormone folliculo-stimulante.
Résumé de la soumission : La signalisation dépendante des beta-arrestines s'est récemment imposée comme une composante importante de la biologie des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). La compréhension de ce nouveau mécanisme de signalisation est un enjeu stratégique car il est potentiellement un préalable à la découverte de nouvelles classes de molécules thérapeutiques. Le projet GPCRnet aborde cette problématique par une approche de biologie systémique mise en œuvre par deux équipes reconnues internationalement pour leurs travaux sur la signalisation des RCPG. Ces deux équipes apportent des compétences complémentaires dont la mise en commun devrait déboucher sur des avancées significatives.L'objectif général de GPCRnet est de contribuer à l'excellence et la compétitivité de la France dans le mouvement international vers: i) le développement de nouveaux médicaments sélectifs de voies de signalisation pour les RCPG; ii) la biologie systémique de la signalisation des cellules de mammifères.GPCRnet entend atteindre ces objectifs en implémentant une approche de biologie systémique pour décrypter les réseaux de signalisation dépendant des beta-arrestines induit par 3 RCPG modèles. Des méthodes de protéomique quantitative (puces à protéines, SILAC) et de tanscriptomique seront combinées à des approches bioinformatiques performantes pour développer des modèles qualitatifs des réseaux de signalisation dépendant des beta-arrestines.GPCRnet aidera à déchiffrer et à modéliser de façon globale les réseaux de signalisation activés par les RCPG via la voie classique des protéines G et via des mécanismes dépendant des beta-?arrestines. En conséquence, le projet devrait fournir un cadre conceptuel permettant de comprendre et peut-être d’anticiper comment un signal extra-cellulaire qui active un RCPG se traduit par une réponse physiologique ou pathologique. Les retombées attendues dans le domaine de la recherche de médicaments ciblant les RCPG sont l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques ou de criblage
Résultats : Les analyses à haut débit des phospho-protéines et des gènes sont bien avancées et vont pouvoir nourrir la construction de modèles.
Certains résultats intéressants ont déjà été obtenus :
•	De nouveaux phosphopeptides ont été identifiés sur les béta-arrestines.  Un site en particulier présente une phosphorylation induite par l’activation des 3 récepteurs. L’impact fonctionnel de la phosphorylation sur ce site est en cours d’investigation. Une publication est envisagée sur le sujet.
•	Les analyses transcriptomiques réalisées révèlent que les béta-arrestines 1 et 2 impactent différentiellement la régulation de l’expression des gènes. Une publication est en cours de rédaction.
•	Grâce à un algorithme d’amarrage des protéines développé par le partenaire 1, un modèle moléculaire a été élaboré pour l’échafaudage du module MAP kinase sur les béta-arrestines. Les expériences de validation sont en cours. Une publication est envisagée sur le sujet.
•	Un premier modèle mathématique dynamique de l’activation des MAP kinase ERK1,2 par les voies dépendant des protéines G et des béta-arrestines a été développé grâce à une stratégie d’optimisation paramétrique originale et très performante. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Mol Syst Biol (Heitzler, Durand et al., Mol Syst Biol, 8:590 2012) et nous sert de référence pour l’élaboration d’autres modèles dynamiques dans le cadre du projet GPCRnet.
Perspectives : Les résultats qui vont être générés dans les prochains mois devraient nous permettre de proposer des modèles dynamiques rendant compte des conséquences intracellulaires de l’activation de récepteurs membranaires de la famille des GPCRs. Comprendre comment ces mécanismes intracellulaires complexes sont intégrés en une réponse biologique donnée aurait certainement un impact sur la recherche de nouveaux médicaments.
Publications et brevets : Heitzler D, Durand G, Gallay N, Rizk A, Ahn S, Kim J, Violin JD, Dupuy L, Gauthier C, Piketty V, Crépieux P, Poupon A, Clément F, Fages F, Lefkowitz RJ, Reiter E. 2012. Competing G protein-coupled receptor kinases balance G protein and beta-arrestin signaling. Molecular Systems Biology, 8:590.
Il s’agit du premier modèle mathématique de l’activation des MAP kinase ERK1,2 par les voies dépendants des protéines G et des béta-arrestines.