Binding and gating properties of the kainate ionotropic glutamate receptor

Kainate-type ionotropic glutamate receptors (KA iGluRs) are ligand-gated ion-channels that play a key role in regulating both excitatory and inhibitory synaptic transmission. They are implicated in several CNS disorders including neuropathic pain, epilepsy and fear conditioning. Despite this, we have a very limited understanding of their basic structural and functional properties. In fact, much of what we know about the KAR comes from the closely-related AMPAR. Interestingly, the crystal structure of the agonist-binding domain of closely-related AMPARs confirmed the proposed bi-lobed structure and together with functional studies show that the extent of clamshell closure is agonist-dependent and directly correlated to agonist efficacy. Yet, no information was available for KARs. Given this, the main purpose of this thesis is to elucidate the binding and gating properties of KARs. The paucity of KAR agonists available at the beginning of this work, however, did not permit a thorough examination of the proposed relationship between clamshell closure and agonist efficacy. In light of this, using a combination of in silico docking and an electrophysiological assay, we have identified a wide spectrum of novel agonists that activate KARs, some of which are endogenous to the central nervous system. Moreover, we developed a methodology to report ligand-evoked conformational changes in the agonist-binding domain of intact KARs. Surprisingly, we showed that closure of the agonist-binding domain does not determine agonist efficacy at KARs suggesting they might not behave as previously thought. Furthermore, previous work has shown that external ions exclusively modulate the response amplitude and decay kinetics of KA, but not AMPA, receptors, through an unknown mechanism. Strikingly, we demonstrated that the neurotransmitter, L-glutamate, is not sufficient to activate KARs but that external ions are uniquely requireLe récepteur kaïnate (KAR) est un récepteur ionotropique au L-glutamate qui exerce un rôle crucial dans la régulation de la transmission synaptique excitatrice et inhibitrice. Les KARs sont impliqués dans diverses pathologies du système nerveux central (SNC) tel que la douleur neuropathique, l'épilepsie ou la peur conditionnée. Néanmoins, notre niveau de compréhension de leur propriétés structurelles et fonctionnelles reste aujourd'hui encore, extrêmement limitée. De plus, les avancées réalisées dans la connaissance des KARs proviennent pour l'essentiel de données obtenues à partir de son analogue structurel, le récepteur AMPA (AMPAR). En effet, des études cristallographiques combinées à une approche fonctionnelle ont permis de démontrer que le domaine renfermant le site de liaison du AMPAR possède une conformation bilobée dite "à clapet" et que son degré de fermeture est directement corrélé à l'efficacité de l'agoniste. Toutefois, aucune de ces informations n'étaient disponibles pour les KARs. Ainsi, l'ensemble de cette thèse s'est inscrit dans l'élucidation des propriétés structurales et dynamiques des KARs. Au début de ce travail, le peu d'agonistes connus pour les KARs ne nous permettait pas d'étudier en profondeur la corrélation entre le degré de fermeture du clapet et l'efficacité des ag onistes. Par conséquent, nous avons premièrement identifié une nouvelle gamme d'agonistes du KAR (certains étant endogènes au SNC), en combinant une approche de docking in silico et d'enregistrements electrophysiologiques. Par ailleurs, nous avons développé une méthodologie permettant d'évaluer au sein de KARs intacts, les modifications conformationnelles du domaine de liaison à l'agoniste. De manière surprenante, nos résultats démontrent que contrairement aux AMPARs, le degré de fermeture du clapet n'est pas corrélé à l'efficacité du ligand, ce qui s