The 5-HT6 receptor and its receptosome dynamics : role in neuronal differentiation and therapeutic potential for the treatment of Autism Spectrum Disorders

Les symptômes cognitifs retrouvés dans différentes pathologies neurodéveloppementales comme la schizophrénie ou l’autisme sont très handicapants et leur prise en charge est toujours très insuffisante. En conséquence, il y a un besoin urgent de nouvelles approches thérapeutiques. Ces déficits cognitifs pourraient résulter d'anomalies des processus neurodéveloppementaux. Ces dernières années, le récepteur 5-HT6 a émergé comme une cible thérapeutiques prometteuse pour ces pathologies du fait de son expression précoce au cours du développement, son impact sur différents processus neurodéveloppementaux clé comme la migration neuronale et la pousse neuritique, et des effets pro-cognitifs des antagonistes du récepteur dans différents paradigmes expérimentaux de cognition. Afin de caractériser les substrats moléculaires de l'impact du récepteur sur la cognition et le développement neuronal, notre équipe a identifié grâce à des stratégies de protéomique l’interactome du récepteur. Ces études fonctionnelles ont par la suite montré que le récepteur 5-HT6 joue un rôle crucial dans la migration et le positionnement des neurones, ainsi que dans l’initiation de la croissance des neurites, via son interaction avec Cdk5. Parmi ces partenaires, nous avons également identifié la protéine GPRIN1, un substrat de Cdk5 connu pour favoriser la pousse neuritique. Mon travail de thèse a permis de caractériser l'effet de l'interaction entre le récepteur 5-HT6 et GPRIN1 sur l'activité constitutive du récepteur et la différenciation neuronale dans une lignée cellulaire de neuroblastome (NG108-15) utilisée comme modèle de différenciation neuronal. J’ai montré que GPRIN1 interagit avec les 22 acides aminés N-terminaux du domaine C-terminal du récepteur via un mécanisme dépendant de la protéine Gs et contrôlé par la phosphorylation de la Ser350 du récepteur par Cdk5 et ai ainsi mis en évidence une dynamique d’interaction entre le récepteur et Cdk5 d’une part, et la GPRIN1 d’autre part. J’ai par la suite montré que l’association de la GPRIN1 au récepteur stabilise le récepteur dans une conformation capable d’activer constitutivement la voie Gs et présentant une affinité réduite pour les agonistes inverses. Cette interaction augmente également la longueur et la ramification des neurites aussi bien dans les cellules NG108-15 que dans des cultures primaires de neurones issus d’embryons de souris. Les effets de GPRIN1 sur la différenciation neuronale induite par le récepteur dépendent d’une activation agoniste-indépendante de la voie Gs/AMPc/PKA. L’ensemble de mes résultats montrent que la différenciation neuronale sous le contrôle du récepteur 5-HT6 dépend d’une séquence complexe d’évènements de signalisation dépendant de son association successive à la Cdk5 et la GPRIN1 : l'interaction 5-HT6-Cdk5 est impliquée dans l'initiation de la pousse neuritique alors que l'interaction 5-HT6-GPRIN1 favorise la croissance et la complexification des dendrites. J’ai enfin mis en évidence dans un modèle préclinique d’autisme, la souris invalidée pour le récepteur Mu des opioïdes (Oprm1-/-) le potentiel thérapeutique d'un antagoniste du récepteur 5-HT6 pour améliorer les troubles du comportement liés à l'autisme. Globalement, ma thèse souligne l’importance du récepteur 5-HT6 et de la dynamique de son interactome dans la différenciation et connectivité neuronale et ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour la prise en charge des troubles psychiatriques d’origine neurodéveloppementale comme l’autisme.Cognitive symptoms observed in neurodevelopmental pathologies such as schizophrenia or autism spectrum disorders are highly debilitating and poorly controlled by currently available treatments. Accordingly, there is still an urgent need for new therapeutic approaches. It has become clear in the last few years that these cognitive deficits are caused by neurodevelopmental alterations. The 5-HT6 receptor has emerged as one promising targets for the treatment of these deficits in light of its early expression during brain development, its role in key neurodevelopmental processes such as neuronal migration ad neurite growth and the pro-cognitive effects of antagonists in various cognitive tasks in rodents. In order to identify novel molecular substrates of the control of cognition and neural development by 5-HT6 receptors, our team has recently characterized the receptor interactome thanks to complementary proteomic strategies. Further functional studies revealed that the Cdk5 pathway under the control of 5-HT6 receptor plays a crucial role in in the migration and positioning of cortical pyramidal neurons as well as in the initiation of neurite outgrowth. The new protein partners of the receptor identified also include G protein-regulated inducer of neurite outgrowth 1 (GPRIN1), a Cdk5 substrate, known to promote neurite outgrowth. This thesis aims at characterizing the impact of the 5-HT6 receptor/GPRIN1 interaction upon receptor activity and neuronal differentiation in a neuroblastoma cell line (NG108-15 cells) commonly used as a cellular model for studying molecular mechanisms underlying neuronal differentiation. I showed that GPRIN1 interacts with a receptor sequence comprising the 22 N-terminal residues of its C-terminal domain via a mechanism depending on its association with activated Gαs protein and regulated by receptor phosphorylation at Ser350 by Cdk5, thus demonstrating that the receptor recruits either Cdk5 or GPRIN1 in a dynamic manner. I then showed that the physical interaction between GPRIN1 and the 5-HT6 receptor stabilizes an active receptor conformation able to activate Gs and the production of cAMP in an agonist-independent manner and exhibiting a low apparent affinity for inverse agonists. This interaction also promotes neurite extension and branching both in NG108-15 cells and primary cultured neurons originating from different regions of the mouse brain. These effects upon neuronal differentiation are mediated by agonist-independent activation of the Gs/adenylyl cyclase/PKA pathway. Collectively, my results indicate that neuronal differentiation under the control of 5-HT6 receptors requires a complex sequence of signaling mechanisms that depends on the sequential association of the receptor with Cdk5 and GPRIN1: while the 5-HT6/Cdk5 interaction is required for the initiation of neurite growth, neurite extension and branching depends on receptor association with GPRIN1. Finally, I demonstrated that sub-chronic administration to mice depleted of Mu opioid receptor (Oprm1-/- mice, preclinical model of autism spectrum disorders - ASDs -) improves a range of primary symptoms, including alteration of social cognition and stereotypic behaviors, suggesting that 5-HT6 receptor blockade might be a relevant strategy for the treatment of some behavioral symptoms in ASDs. Collectively, this thesis highlights the role of the 5-HT6 receptor interactome and of its dynamics in neuronal differentiation and the establishment of neuronal connectivity and opens new perspectives for the treatment of psychiatric disorders of neuro-developmental origin, such as ASDs