Regulation and inhibition of the exchange factor EPAC1, a therapeutic target in heart failure

Les protéines EPAC sont des facteurs d'échange de nucléotides guanine (GEFs), directement activées par le second messager AMP cyclique (AMPc), qui activent les petites GTPases Rap à la périphérie des membranes cellulaires.La protéine EPAC1, principalement exprimée dans le cœur, joue un rôle important dans la physiologie et la physiopathologie cardio-vasculaire, et constitue ainsi une cible thérapeutique attractive. L'activation d'EPAC1 par l'AMPc se traduit par un changement de conformation de grande amplitude. Des travaux récents de l'équipe ont permis de découvrir qu'EPAC1 est aussi régulée par les membranes biologiques. Plus qu'un simple lieu de « rendez-vous » entre la GEF et sa GTPase, les membranes jouent donc un rôle essentiel dans l'activation des petites GTPases.Ce projet de thèse a deux objectifs : Comprendre comment cet environnement membranaire contribue, en coopération avec l'AMPc, à l'activation de la protéine EPAC1. Pour cela, j'ai quantifié les modalités biochimiques de l'activation d'EPAC1 par l'AMPc et la membrane, et entrepris d'étudier ses différents états structuraux par HDX-MS. Comprendre le mécanisme d'action d'un inhibiteur allostérique d'EPAC1, CE3F4, en prenant en compte la contribution de la membrane.Mes résultats confirment que les membranes induisent une augmentation considérable de l'affinité d'EPAC1 pour l'AMPc, qui passe de 30 µM à 70 nM. Ils montrent également que la membrane active EPAC1 même en l'absence d'AMPc, qu'EPAC1 liée à l'AMPc et associée à la membrane est beaucoup plus active qu'en présence d'AMPc seulement, et qu'EPAC1 existe dans au moins 4 conformations différentes dont l'activité dépend de l'AMPc et de la membrane. J'ai ensuite montré que seuls les intermédiaires activés par l'AMPc (AMPc et AMPc+membrane) sont ciblés par le CE3F4.Ces résultats suggèrent que dans les cellules, EPAC1 doit être pré-activée par la membrane avant de pouvoir répondre à l'AMPc, et que seul EPAC1 pleinement activée peut être inhibée par le CE3F4. Ces résultats seront importants pour le développement et l'amélioration de nouvelles molécules thérapeutiques.EPAC proteins are guanine nucleotide exchange factors (GEFs), directly activated by the cyclic AMP second messenger (cAMP), which activate small Rap GTPases at the periphery of cell membranes.The EPAC1 protein, mainly expressed in the heart, plays an important role in cardiovascular physiology and pathophysiology, and thus constitutes an attractive therapeutic target. Activation of EPAC1 by cAMP results in a large-amplitude conformation change. Recent work by the team has revealed that EPAC1 is also regulated by biological membranes. More than just a meeting place between the GEF and its GTPase, membranes play an essential role in the activation of small GTPases.This thesis project has two objectives: understand how this membrane environment contributes, in cooperation with cAMP, to the activation of the EPAC1 protein. To do this, I quantified the biochemical modalities of activation of EPAC1 by the cAMP and membrane, and undertook to study its different structural states by HDX-MS. Understand the mechanism of action of an allosteric EPAC1 inhibitor, CE3F4, taking into account the contribution of the membrane.My results confirm that membranes induce a significant increase in the affinity of EPAC1 for cAMP from 30 µM to 70 nM. They also show that EPAC1 is activated by membranes even in the absence of cAMP, that cAMP-bound EPAC1 associated with the membrane is much more active than in the presence of cAMP alone, and that EPAC1 exists in at least 4 different conformations whose activity depends on the cAMP and membrane. Then, I showed that only intermediates activated by cAMP (cAMP and cAMP+membrane) are targeted by CE3F4.These results suggest that in cells, EPAC1 must be pre-activated by the membrane to respond to cAMP, and that only fully activated EPAC1 can be inhibited by CE3F4. These results will be important for the development and improvement of new therapeutic molecules