Transcriptional and functional profiles of voltage-gated Na(+) channels in injured and non-injured DRG neurons in the SNI model of neuropathic pain.

Changes in expression and function of voltage-gated sodium channels (VGSC) in dorsal root ganglion (DRG) neurons may play a major role in the genesis of peripheral hyperexcitability that occurs in neuropathic pain. We present here the first description of changes induced by spared nerve injury (SNI) to Na(v)1 mRNA levels and tetrodotoxin-sensitive and -resistant (TTX-S/TTX-R) Na(+) currents in injured and adjacent non-injured small DRG neurons. VGSC transcripts were down-regulated in injured neurons except for Na(v)1.3, which increased, while they were either unchanged or increased in non-injured neurons. TTX-R current densities were reduced in injured neurons and the voltage dependence of steady-state inactivation for TTX-R was positively shifted in injured and non-injured neurons. TTX-S current densities were not affected by SNI, while the rate of recovery from inactivation was accelerated in injured neurons. Our results describe altered neuronal electrogenesis following SNI that is likely induced by a complex regulation of VGSCs.

Alveolar epithelial CNGA1 channels mediate cGMP-stimulated, amiloride-insensitive, lung liquid absorption.

Impairment of lung liquid absorption can lead to severe respiratory symptoms, such as those observed in pulmonary oedema. In the adult lung, liquid absorption is driven by cation transport through two pathways: a well-established amiloride-sensitive Na(+) channel (ENaC) and, more controversially, an amiloride-insensitive channel that may belong to the cyclic nucleotide-gated (CNG) channel family. Here, we show robust CNGA1 (but not CNGA2 or CNGA3) channel expression principally in rat alveolar type I cells; CNGA3 was expressed in ciliated airway epithelial cells. Using a rat in situ lung liquid clearance assay, CNG channel activation with 1 mM 8Br-cGMP resulted in an approximate 1.8-fold stimulation of lung liquid absorption. There was no stimulation by 8Br-cGMP when applied in the presence of either 100 μM L: -cis-diltiazem or 100 nM pseudechetoxin (PsTx), a specific inhibitor of CNGA1 channels. Channel specificity of PsTx and amiloride was confirmed by patch clamp experiments showing that CNGA1 channels in HEK 293 cells were not inhibited by 100 μM amiloride and that recombinant αβγ-ENaC were not inhibited by 100 nM PsTx. Importantly, 8Br-cGMP stimulated lung liquid absorption in situ, even in the presence of 50 μM amiloride. Furthermore, neither L: -cis-diltiazem nor PsTx affected the β(2)-adrenoceptor agonist-stimulated lung liquid absorption, but, as expected, amiloride completely ablated it. Thus, transport through alveolar CNGA1 channels, located in type I cells, underlies the amiloride-insensitive component of lung liquid reabsorption. Furthermore, our in situ data highlight the potential of CNGA1 as a novel therapeutic target for the treatment of diseases characterised by lung liquid overload.

High sensitivity of immature GABAergic neurons to blockers of voltage-gated calcium channels.

The involvement of voltage-gated calcium channels in the survival of immature CNS neurons was studied in aggregating brain cell cultures by examining cell type-specific effects of various channel blockers. Nifedipine (10 microM), a specific blocker of L-type calcium channels, caused a pronounced and irreversible decrease of glutamic acid decarboxylase activity, whereas the activity of choline acetyltransferase was significantly less affected. Flunarizine (1-10 microM, a relatively unspecific ion channel blocker) elicited similar effects, that were attenuated by NMDA. The glia-specific marker enzymes, glutamine synthetase and 2',3'-cyclic nucleotide 3'-phosphohydrolase, were affected only after treatment with high concentrations of nifedipine (50 microM) or NiCl2 (100 microM, shown to block T-type calcium channels). Nifedipine (50 microM), NiCl2 (100 microM), and flunarizine (5 microM) also caused a significant increase in the soluble nucleosome concentration, indicating increased apoptotic cell death. This effect was prevented by cycloheximide (1 microM). Furthermore, the combined treatment with calcicludine (10 nM, blocking L-type calcium channels) and funnel-web spider toxin-3.3 (100 nM, blocking T-type channels) also caused a significant increase in free nucleosomes as well as a decrease in glutamic acid decarboxylase activity. In contrast, cell viability was not affected by peptide blockers specific for N-, P-, and/or Q-type calcium channels. Highly differentiated cultures showed diminished susceptibility to nifedipine and flunarizine. The present data suggest that the survival of immature neurons, and particularly that of immature GABAergic neurons, requires the sustained entry of Ca2+ through voltage-gated calcium channels.

Competition between beta-subunits of cardiac L-type calcium channels

Cardiac L-type Ca (CaV1.2) channels are composed of a pore forming CaV1.2-α1 subunit and auxiliary β- and α2δ-subunits. β-subunits are important not only for surface expression of the channel pore but also for modulation of channel gating properties. Different β-subunits differentially modulate channel activity (Hullin et al., PLOSone, 2007) and thus L-type Ca2+ channel gating is altered when β-subunit expression pattern is changed. In human heart failure increased activity of single ventricular L-type Ca2+-channels is associated with an increased expression of β2-subunits. Interestingly, induction of β2-subunit over-expression in hearts of transgenic mice resembled this heart failure phenotype of hyperactive single L-type Ca2+-channel channels (Beetz et al., Cardiovasc Res. 2009). We hypothesised that competition of less stimulating β-subunits (e.g. β1) with β-subunits causing strong channel stimulation (e.g. β2) might be a means to treat dysfunctional L-type Ca2+-channel activity. To test this hypothesis, we performed whole-cell and single-channel measurements employing recombinant CaV1.2 channels expressed in HEK293 cells together with both β- and β1a2b-subunits. Whole-cell analysis revealed no differences of maximum L-type Ca2+-current densities [pA/pF] with coexpression of either β1a-subunits (-52±3.8), β2b-subunits (-61.5±6.6) or the mixtures of β- and β1a2b-subunits with the plasmid transfection ratio of 2:1 (-60.2±1.6) and 1:1 (-56.7±2.6) respectively. However, steady state inactivation kinetics differed between particular β-subunit and the relative amount of β-subunit presence in the mixtures (β1a1a-subunit (-41.1±1.0), β2b-subunits (-35.1±1.1), mixture 2:1 (-40.3±1.5), and mixture 1:1 (-38.4±2.0); [mV]; p<0.05, students t-test). Using a novel single-channel analysis, switching of gating between β1-like and β2-like modes was monitored on a minute time-scale when both β-subunits were co-expressed in the same cells, but the larger amount of β1a-subunits is required for the effective switching of gating. Our results indicate a model of mutually exclusive binding and effective competition between several β-subunits suggesting that hyperactive channel gating mediated e.g. by β2-subunits can be normalized by β1-subunits. Therefore, competitive replacement between different L-type Ca2+-channel β-subunits might serve as a novel therapeutic strategy for e.g. heart failure.

Modulation of the c-Jun N-terminal kinase activity in the embryonic heart in response to anoxia-reoxygenation: involvement of the Ca2+ and mitoKATP channels.

Whether the response of the fetal heart to ischemia-reperfusion is associated with activation of the c-Jun N-terminal kinase (JNK) pathway is not known. In contrast, involvement of the sarcolemmal L-type Ca2+ channel (LCC) and the mitochondrial KATP (mitoKATP) channel has been established. This work aimed at investigating the profile of JNK activity during anoxia-reoxygenation and its modulation by LCC and mitoK(ATP) channel. Hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to anoxia (30 min) and reoxygenation (60 min). Using the kinase assay method, the profile of JNK activity in the ventricle was determined every 10 min throughout anoxia-reoxygenation. Effects on JNK activity of the LCC blocker verapamil (10 nM), the mitoK(ATP) channel opener diazoxide (50 microM) and the blocker 5-hydroxydecanoate (5-HD, 500 microM), the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) inhibitor Ru360 (10 microM), and the antioxidant N-(2-mercaptopropionyl) glycine (MPG, 1 mM) were determined. In untreated hearts, JNK activity was increased by 40% during anoxia and peaked fivefold relative to basal level after 30-40 min reoxygenation. This peak value was reduced by half by diazoxide and was tripled by 5-HD. Furthermore, the 5-HD-mediated stimulation of JNK activity during reoxygenation was abolished by diazoxide, verapamil or Ru360. MPG had no effect on JNK activity, whatever the conditions. None of the tested pharmacological agents altered JNK activity under basal normoxic conditions. Thus, in the embryonic heart, JNK activity exhibits a characteristic pattern during anoxia and reoxygenation and the respective open-state of LCC, MCU and mitoKATP channel can be a major determinant of JNK activity in a ROS-independent manner.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

Connexin hemichannels and cell-cell channels: comparison of properties

Connexin46 (Cx46) forms functional hemichannels in the absence of contact by an apposed hemichannel and we have used these hemichannels to study gating and permeation at the single channel level with high time resolution. Using both cell-attached and -excised patch configurations, we find that single Cx46 hemichannels exhibit some properties expected of half of a gap junction channel, as well as novel properties. Cx46 hemichannels have a large unitary conductance (~300 pS) and a relatively large pore as inferred from permeability to TEA. Both monovalent cations and anions can permeate, but cations are substantially more permeable. The open channel conductance shows marked inward rectification in symmetric salts. We find that the conductance and permeability properties of Cx46 cell-cell channels can be explained by the series addition of two hemichannels. These data suggest that the pore structures of unapposed hemichannels and cell-cell channels are conserved. Also like cell-cell channels, unapposed Cx46 hemichannels are closed by elevated levels of H+ or Ca2+ ions on the cytoplasmic face. Closure occurs in excised patches indicating that the actions of these agents do not require a soluble cytoplasmic factor. Fast (<0.5 ms) application of H+ to either side of the open hemichannel causes an immediate small reduction in unitary conductance followed by complete closure with latencies that are dependent on H+ concentration and side of application; sensitivity is much greater to H+ on the cytoplasmic side. Closure by cytoplasmic H+ does not require that the hemichannel be open. Thus, H+ ions readily permeate Cx46 hemichannels, but at high enough concentration close them by acting at a cytoplasmic site(s) that causes a conformational change resulting in complete closure. Extracellular H+ may permeate to act on the cytoplasmic site or act on a lower affinity extracellular site. Thus, the unapposed hemichannel is a valuable tool in addressing fundamental questions concerning the operation of gap junction channels that are difficult to answer by existing methods. The ability of Cx46, and perhaps other connexins, to form functional unapposed hemichannels that are opened by moderate depolarization may represent an unexplored role of connexins as mediators of transport across the plasma membrane.

Rôle de l’extrémité C-terminale dans l’expression du canal calcique Cav1.2 à la membrane plasmique

Le canal calcique de type L, Cav1.2, joue un rôle clé dans le couplage excitation-contraction des myocytes ventriculaires. Il a été montré que la sous-unité Cavα1 était sujette à l’épissage alternatif et que ce phénomène pouvait mener à une protéine tronquée en C-terminal au niveau de l’exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). D’autres groupes ont étudié différentes délétions au niveau de l’extrémité C-terminale (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). Les courants mesurés dans la configuration cellule entière, était significativement plus grands que le canal « pleine longueur ». Nous avons décidé de tester certaines de ces délétions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) en présence ou en absence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, susceptible d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la sous-unité Cavα1 par l’intermédiaire de son domaine SH3 (Lao, Kobrinsky et al. 2008). Les résultats obtenus dans les ovocytes de Xénope ont mis en évidence que les sous-unités Cavα1.2 tronquées montraient des courants globaux plus élevés que le canal « pleine longueur » en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3 et que les sous-unités Cavα1.2 tronquées donnaient des courants en absence de la sous-unité Cavβ3 contrairement à la sous-unité Cavα1.2 « pleine longueur ». Afin de vérifier si l’augmentation des courants macroscopiques était le résultat d’une augmentation du nombre de sous-unités Cavα1.2 à la membrane, nous avons choisi de quantifier la fluorescence spécifiquement due à cette sous-unité en utilisant la méthode de cytométrie de flux (FACS : « Fluorescence Activated Cell Sorting »). L’épitope HA a été inséré dans une région extracellulaire de la sous-unité Cavα1 du canal calcique Cav1.2 et un anticorps anti-HA couplé au FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») a été utilisé pour observer la fluorescence. Nos résultats confirment que la sous-unité Cavα1-HA du canal calcique Cav1.2, s’exprime à la membrane plasmique en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, et qu’en absence de celle-ci, ne s’exprime que peu ou pas à la membrane. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les trois délétions testées dans les mêmes conditions soit Cavα1.2-HA ΔC1935, Cavα1.2-HA ΔC1856 et Cavα1.2-HA ΔC1733. Ensemble, ces résultats suggèrent que l’augmentation des courants macroscopiques observés après une délétion partielle du C-terminal n’est pas causée par une augmentation du nombre de protéines Cavα1.2 à la membrane.

Étude moléculaire des mécanismes d’action de potentiateurs du canal CFTR sur le canal KCa3.1

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces.

Études de type structure fonction des mutations causant l’ataxie épisodique de type I sur les canaux potassiques dépendants du voltage

Les ataxies épisodiques (EA) d’origine génétique sont un groupe de maladies possédant un phénotype et génotype hétérogènes, mais ont en commun la caractéristique d’un dysfonctionnement cérébelleux intermittent. Les EA de type 1 et 2 sont les plus largement reconnues des ataxies épisodiques autosomiques dominantes et sont causées par un dysfonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants dans les neurones. La présente étude se concentrera sur les mutations causant l'EA-1, retrouvées dans le senseur de voltage (VSD) de Kv1.1, un canal très proche de la famille des canaux Shaker. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques de six mutations différentes à la position F244 et partiellement celles des mutations T284 A/M, R297 K/Q/A/H, I320T, L375F, L399I et S412 C/I dans la séquence du Shaker grâce à la technique du ‘’cut open voltage clamp’’ (COVC). Les mutations de la position F244 situées sur le S1 du canal Shaker sont caractérisées par un décalement des courbes QV et GV vers des potentiels dépolarisants et modifient le couplage fonctionnel entre le domaine VSD et le pore. Un courant de fuite est observé durant la phase d'activation des courants transitoires et peut être éliminé par l'application du 4-AP (4-aminopyridine) ou la réinsertion de l'inactivation de type N mais pas par le TEA (tétraéthylamonium). Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la stabilisation d’un état intermédiaire, nous avons étudié séparément la neutralisation des trois premières charges positives du S4 (R1Q, R2Q et R3Q). Il en est ressorti l’existence d’une interaction entre R2 et F244. Une seconde interface entre S1 et le pore proche de la surface extracellulaire agissant comme un second point d'ancrage et responsable des courants de fuite a été mis en lumière. Les résultats suggèrent une anomalie du fonctionnement du VSD empêchant la repolarisation normale de la membrane des cellules nerveuses affectées à la suite d'un potentiel d'action.

Tamizaje neonatal para fibrosis quística en una muestra de la ciudad de Bogotá

La Fibrosis Quística es la enfermedad autosómica recesiva mas frecuente en caucásicos. En Colombia no se conoce la incidencia de la enfermedad, pero investigaciones del grupo de la Universidad del Rosario indican que podría ser relativamente alta. Objetivo: Determinar la incidencia de afectados por Fibrosis Quística en una muestra de recién nacidos de la ciudad de Bogotá. Metodología: Se analizan 8.297 muestras de sangre de cordón umbilical y se comparan tres protocolos de tamizaje neonatal: TIR/TIR, TIR/DNA y TIR/DNA/TIR. Resultados: El presente trabajo muestra una incidencia de 1 en 8.297 afectados en la muestra analizada. Conclusiones: Dada la relativamente alta incidencia demostrada en Bogotá, se justifica la implementación de Tamizaje Neonatal para Fibrosis Quística en Colombia.

A residue close to ?1 loop F disrupts modulation of GABAA receptors by benzodiazepines while their binding is maintained

Benzodiazepines act at the major isoforms of GABA type A receptors where they potentiate the current evoked by the agonist GABA. The underlying mechanism of this potentiation is poorly understood, but hypothesized to be related to the mechanism that links agonist binding to channel opening in these ligand activated ion channels. The loop F of the ?(1) and the ?(2) subunit have been implicated in channel gating, and loop F of the ?(2) subunit in the modulation by benzodiazepines. We have identified the conservative point mutation Y168F located N-terminally of loop F in the ?(1) subunit that fails to affect agonist properties. Interestingly, it disrupts modulation by benzodiazepines, but leaves high affinity binding to the benzodiazepine binding site intact. Modulation by barbiturates and neurosteroids is also unaffected. Residue ?(1) Y168 is not located either near the binding pockets for GABA, or for benzodiazepines, or close to the loop F of the ?(2) subunit. Our results support the fact, that broader regions of ligand gated receptors are conformationally affected by the binding of benzodiazepines. We infer that also broader regions could contribute to signaling from GABA agonist binding to channel opening.

Disease Caused by Mutations in NaV-β Subunit Genes

NaV-b subunits associate with the NaV-a or pore-forming subunit of the voltage-dependent sodium channel and play critical roles in channel expression, voltage dependence of the channel gating, cell adhesion, signal transduction, and channel pharmacology. Five NaV-b subunits have been identified in humans, all of them implicated in many primary arrhythmia syndromes that cause sudden death or neurologic disorders, including long QT syndrome, Brugada syndrome, cardiac conduction disorders, idiopathic ventricular fibrillation, epilepsy, neurodegenerative diseases, and neuropsychiatric disorders.

Spectroscopic and functional investigations of the AMPA subtype of ionotropic glutamate receptors

Ion channels play a crucial role in the functioning of different systems of the body because of their ability to bridge the cell membrane and allow ions to pass in and out of the cell. Ionotropic glutamate receptors are one class of these important proteins and have been shown to be critical in propagating synaptic transmission in the central nervous system and in other diverse functions throughout the body. Because of their wide-ranging effects, this family of receptors is an important target for structure-function investigations to understand their mechanism of action. ^ α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptors are one subtype of glutamate receptors and have been shown to be the primary receptors involved in rapid excitatory signaling in the central nervous system. Agonist binding to the extracellular ligand binding domain of these receptors causes various conformational changes that culminate in formation of the ion channel. Previous structural investigations have provided important information about their mechanism of action, including uncovering a relationship between the degree of cleft closure in the binding domain and activation of the receptor. However, what question remains unanswered is how specific interactions between the agonist and the protein interplay with cleft closure to mediate receptor activation. ^ To investigate this question, I applied a multiscale approach to investigate the effects of agonist binding on various levels. Vibrational spectroscopy was utilized to investigate molecular-level interactions in the binding pocket, and fluorescence resonance energy transfer (FRET) was employed to measure cleft closure in the isolated ligand binding domain. The results of these studies in the isolated binding domain were then correlated to activation of the full receptor. These investigations showed a relationship between the strength of the interaction at the α-amine group of the agonist and extent of receptor activation, where a stronger interaction correlated to a larger activation, which was upheld even when the extent of cleft closure did not correlate to activation. These results show that this interaction at the α-amine group is critical in mediating the allosteric mechanism of activation and provide a bit more insight into how agonist binding is coupled to channel gating in AMPA receptors. ^

High-resolution structure of hair-cell tip links

Transduction-channel gating by hair cells apparently requires a gating spring, an elastic element that transmits force to the channels. To determine whether the gating spring is the tip link, a filament interconnecting two stereocilia along the axis of mechanical sensitivity, we examined the tip link's structure at high resolution by using rapid-freeze, deep-etch electron microscopy. We found that the tip link is a right-handed, coiled double filament that usually forks into two branches before contacting a taller stereocilium; at the other end, several short filaments extend to the tip link from the shorter stereocilium. The structure of the tip link suggests that it is either a helical polymer or a braided pair of filamentous macromolecules and is thus likely to be relatively stiff and inextensible. Such behavior is incompatible with the measured elasticity of the gating spring, suggesting that the gating spring instead lies in series with the helical segment of the tip link.