Exploitation of the structure-function relationship of the vitamin D nuclear receptor for the deciphering of the mechanisms of vitamin D signaling

L’expression de l’information génétique est régulée par des facteurs de transcription. Parmi ces facteurs, le récepteur de la vitamine D (VDR) appartient à la famille des récepteurs nucléaires, activables par la fixation d’un ligand. La forme active de la vitamine D, le Calcitriol, est le ligand naturel du VDR et est impliqué dans de nombreuses fonctions biologiques telles que l’homéostasie du calcium et du phosphate, l’inflammation, la différenciation et la prolifération cellulaires et l’apoptose. Cependant, ses actions intrinsèques génomiques s’accompagnent d’effets hypercalcémiques non-génomiques qui limitent ses applications thérapeutiques. Dans l’objectif de dissocier les actions anti-tumorales du Calcitriol de ses effets hypercalcémiques pour des applications thérapeutiques, le challenge consiste à différencier précisément les acteurs de la voie non-génomique de ceux de la voie génomique. Précédemment, le résidu Leu337 du VDR de poisson-zèbre a été identifié comme jouant un rôle majeur dans l’adaptabilité du domaine de fixation du ligand. Une étude classique de mutagenèse a mis en évidence un résultat surprenant : le mutant VDR Leu337His abolit l’activité génomique du VDR en présence du Calcitriol mais présente une activité transcriptionnelle identique au récepteur sauvage en présence du ligand synthétique à double chaîne latérale Gemini. Mon travail de thèse a consisté à comprendre les bases structurales de cette sélectivité. Les résultats présentés montrent que tout comme les VDR sauvages humain et du poisson-zèbre, les VDR mutés de ces deux espèces se comportent de manière similaire en présence des ligands Calcitriol et Gemini en termes d’affinités de liaison et de transactivation. L’étude structurale a mis en évidence une interaction cruciale pour la stabilisation du ligand naturel. En revanche, la mutation Leu337His a un effet silencieux en présence du Gemini et de deux analogues du Gemini que nous avons étudiés. De plus, les résultats structuraux révèlent que les ligands à deux chaînes latérales sont moins sensibles aux modifications affectant le réseau de contacts entre les résidus de la poche et le ligand. Mes travaux de thèse ont permis d’établir les bases structurales et moléculaires pour la création d’un modèle animal original (souris génétiquement modifiée exprimant le VDR muté) qui permettra d’éteindre ou d’allumer le VDR nucléaire selon la présence de Calcitriol ou de Gemini, et ainsi de dissocier la voie génomique de la voie nongénomique induite par le Calcitriol. Ce travail de thèse s’inscrit dans une approche pluridisciplinaire, allant de l’atome à l’organisme et l’intégration de l’ensemble des données in vivo permettra une meilleure compréhension de la signalisation induite par l’hormone Calcitriol et le développement de nouveaux traitements hautement spécifiques.Genetic expression is regulated by transcriptional factors. Among them, the Vitamin D receptor (VDR) belongs to the superfamily of nuclear receptors which adopt their active conformation upon ligand binding. The active form of Vitamin D, Calcitriol is the natural ligand of VDR and plays important roles in several biological functions such as calcium and phosphate homeostasis, inflammation, cell differentiation and proliferation and apoptosis. However, its intrinsic genomic actions are accompanied by hypercalemic nongenomic effects which limit the use of Calcitriol in therapeutic treatments. To further dissociate the antitumor actions of Calcitriol from its hypercalcemic effects, the challenge is to decipher the mechanisms involved in the non-genomic pathway from those involved in the genomic one. Previously, we identified the Leu337 of zebrafish VDR as a key residue in the adaptability of the ligand binding domain. Then, a classical mutagenesis study stressed a surprising finding : the VDR Leu337His abolishes the genomic activity of VDR in presence of Calcitriol but not in presence of the synthetic double-chained Gemini ligand. The results of my thesis confirm that as for the wild-type human and zebrafish VDRs, both zebrafish VDR Leu337His and human VDR Leu309His behave similarly in presence of Calcitriol and Gemini in terms of ligand binding and transactivation. The structural study conducted in parallel emphasizes a crucial interaction for the stabilization of Calcitriol. In sharp contrast, the mutation Leu337His has a neutral incidence on the stabilization of Gemini and the two Gemini derivatives studied. Moreover, the structural findings reveal that double-chained ligands are less sensitive to structural modifications targeting the network of ligand/residues interactions. This study relates the structural and molecular basis for the design of an original animal model (knock-in-mice expressing the corresponding mutation Leu337His) which will allows us to switch on/off the nuclear VDR following the presence of Calcitriol or Gemini, and to gain insight into the non-genomic pathway induced by Calcitriol. My work enrolls a multi-disciplinary approach, from atomic structure to the organism and the integration of the in vivo data will provide us with a better understanding of the Calcitriol signalization and with the development of highly specific new treatments