Scnn1 sodium channel gene family in genetically engineered mice.

The amiloride-sensitive epithelial sodium channel is the limiting step in salt absorption. In mice, this channel is composed of three subunits (alpha, beta, and gamma), which are encoded by different genes (Scnn1a, Scnn1b, and Scnn1c, respectively). The functions of these genes were recently investigated in transgenic (knockout) experiments, and the absence of any subunit led to perinatal lethality. More defined phenotypes have been obtained by introducing specific mutations or using transgenic rescue experiments. In this report, these approaches are summarized and a current gene-targeting strategy to obtain conditional inactivation of the channel is illustrated. This latter approach will be indispensable for the investigation of channel function in a wide variety of organ systems.

Revealing a subclinical salt-losing phenotype in heterozygous carriers of the novel S562P mutation in the alpha subunit of the epithelial sodium channel.

OBJECTIVE: Pseudohypoaldosteronism type I (PHA1) is a rare inborn disease causing severe salt loss. Mutations in the three coding genes of the epithelial sodium channel (ENaC) are responsible for the systemic autosomal recessive form. So far, no phenotype has been reported in heterozygous carriers. PATIENTS: A consanguineous family from Somalia giving birth to a neonate suffering from PHA1 was studied including clinical and hormonal characteristics of the family, mutational analysis of the SCNN1A, SCNN1B, SCNN1G and CFTR genes and in vitro analysis of the functional consequences of a mutant ENaC channel. RESULTS: CFTR mutations have been excluded. SCNN1A gene analysis revealed a novel homozygous c.1684T > C mutation resulting in a S562P substitution in the alphaENaC protein of the patient. Functional analysis showed a significantly reduced S562P channel function compared to ENaC wild type. Protein synthesis and channel subunit assembly were not altered by the S562P mutation. Co-expression of mutant and wild-type channels revealed a dominant negative effect. In heterozygote carriers, sweat sodium and chloride concentrations were increased without additional hormonal or clinical phenotypes. CONCLUSION: Hence, the novel mutation S562P is causing systemic PHA1 in the homozygous state. A thorough clinical investigation of the heterozygote SCNN1A mutation carriers revealed increased sweat sodium and chloride levels consistent with a dominant effect of the mutant S562P allele. Whether this subclinical phenotype is of any consequence for the otherwise asymptomatic heterozygous carriers has to be elucidated.

Use of constant denaturant capillary electrophoresis of pooled blood samples to identify single-nucleotide polymorphisms in the genes (Scnn1a and Scnn1b) encoding the alpha and beta subunits of the epithelial sodium channel.

BACKGROUND: The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits: alpha, beta, and gamma. Mutations in the Scnn1b and Scnn1g genes, which encode the beta and the gamma subunits of ENaC, cause a severe form of hypertension (Liddle syndrome). The contribution of genetic variants within the Scnn1a gene, which codes for the alpha subunit, has not been investigated. METHODS: We screened for mutations in the COOH termini of the alpha and beta subunits of ENaC. Blood from 184 individuals from 31 families participating in a study on the genetics of hypertension were analyzed. Exons 13 of Scnn1a and Scnn1b, which encode the second transmembrane segment and the COOH termini of alpha- and beta-ENaC, respectively, were amplified from pooled DNA samples of members of each family by PCR. Constant denaturant capillary electrophoresis (CDCE) was used to detect mutations in PCR products of the pooled DNA samples. RESULTS: The detection limit of CDCE for ENaC variants was 1%, indicating that all members of any family or up to 100 individuals can be analyzed in one CDCE run. CDCE profiles of the COOH terminus of alpha-ENaC in pooled family members showed that the 31 families belonged to four groups and identified families with genetic variants. Using this approach, we analyzed 31 rather than 184 samples. Individual CDCE analysis of members from families with different pooled CDCE profiles revealed five genotypes containing 1853G-->T and 1987A-->G polymorphisms. The presence of the mutations was confirmed by DNA sequencing. For the COOH terminus of beta-ENaC, only one family showed a different CDCE profile. Two members of this family (n = 5) were heterozygous at 1781C-->T (T594M). CONCLUSION: CDCE rapidly detects point mutations in these candidate disease genes.

The epithelial sodium channel and the control of sodium balance.

Studies aiming at the elucidation of the genetic basis of rare monogenic forms of hypertension have identified mutations in genes coding for the epithelial sodium channel ENaC, for the mineralocorticoid receptor, or for enzymes crucial for the synthesis of aldosterone. These genetic studies clearly demonstrate the importance of the regulation of Na(+) absorption in the aldosterone-sensitive distal nephron (ASDN), for the maintenance of the extracellular fluid volume and blood pressure. Recent studies aiming at a better understanding of the cellular and molecular basis of ENaC-mediated Na(+) absorption in the distal part of nephron, have essentially focused on the regulation ENaC activity and on the aldosterone-signaling cascade. ENaC is a constitutively open channel, and factors controlling the number of active channels at the cell surface are likely to have profound effects on Na(+) absorption in the ASDN, and in the amount of Na(+) that is excreted in the final urine. A number of membrane-bound proteases, kinases, have recently been identified that increase ENaC activity at the cell surface in heterologous expressions systems. Ubiquitylation is a general process that regulates the stability of a variety of target proteins that include ENaC. Recently, deubiquitylating enzymes have been shown to increase ENaC activity in heterologous expressions systems. These regulatory mechanisms are likely to be nephron specific, since in vivo studies indicate that the adaptation of the renal excretion of Na(+) in response to Na(+) diet occurs predominantly in the early part (the connecting tubule) of the ASDN. An important work is presently done to determine in vivo the physiological relevance of these cellular and molecular mechanisms in regulation of ENaC activity. The contribution of the protease-dependent ENaC regulation in mediating Na(+) absorption in the ASDN is still not clearly understood. The signaling pathway that involves ubiquitylation of ENaC does not seem to be absolutely required for the aldosterone-mediated control of ENaC. These in vivo physiological studies presently constitute a major challenge for our understanding of the regulation of ENaC to maintain the Na(+) balance.

On the molecular basis of ion permeation in the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na+ channel (ENaC) is highly selective for Na+ and Li+ over K+ and is blocked by the diuretic amiloride. ENaC is a heterotetramer made of two alpha, one beta, and one gamma homologous subunits, each subunit comprising two transmembrane segments. Amino acid residues involved in binding of the pore blocker amiloride are located in the pre-M2 segment of beta and gamma subunits, which precedes the second putative transmembrane alpha helix (M2). A residue in the alpha subunit (alphaS589) at the NH2 terminus of M2 is critical for the molecular sieving properties of ENaC. ENaC is more permeable to Li+ than Na+ ions. The concentration of half-maximal unitary conductance is 38 mM for Na+ and 118 mM for Li+, a kinetic property that can account for the differences in Li+ and Na+ permeability. We show here that mutation of amino acid residues at homologous positions in the pre-M2 segment of alpha, beta, and gamma subunits (alphaG587, betaG529, gammaS541) decreases the Li+/Na+ selectivity by changing the apparent channel affinity for Li+ and Na+. Fitting single-channel data of the Li+ permeation to a discrete-state model including three barriers and two binding sites revealed that these mutations increased the energy needed for the translocation of Li+ from an outer ion binding site through the selectivity filter. Mutation of betaG529 to Ser, Cys, or Asp made ENaC partially permeable to K+ and larger ions, similar to the previously reported alphaS589 mutations. We conclude that the residues alphaG587 to alphaS589 and homologous residues in the beta and gamma subunits form the selectivity filter, which tightly accommodates Na+ and Li+ ions and excludes larger ions like K+.

Regulation of the expression of Nav1.5, the cardiac voltage-gated sodium channel

Abstract The cardiac sodium channel Nav1.5 plays a key role in cardiac excitability and conduction. Its importance for normal cardiac function has been highlighted by descriptions of numerous mutations of SCN5A (the gene encoding Nav1.5), causing cardiac arrhythmias which can lead to sudden cardiac death. The general aim of my PhD research project has been to investigate the regulation of Nav1.5 along two main axes: (1) We obtained experimental evidence revealing an interaction between Nav1.5 and a multiprotein complex comprising dystrophin. The first part of this study reports the characterization of this interaction. (2) The second part of the study is dedicated to the regulation of the cardiac sodium channel by the mineralocorticoid hormone named aldosterone. (1) Early in this study, we showed that Nav1.5 C-terminus was associated with dystrophin and that this interaction was mediated by syntrophin proteins. We used dystrophin-deficient mdx5cv mice to study the role of this interaction. We reported that dystrophin deficiency led to a reduction of both Nav1.5 protein level and the sodium current (INa). We also found that mdx5cv mice displayed atrial and ventricular conduction defects. Our results also indicated that proteasome inhibitor MG132 treatment of mdx5cv mice rescued Nav1.5 protein level and INa in cardiac tissue. (2) We showed that aldosterone treatment of mice cardiomyocytes led to an increase of the sodium current with no modification of Nav1.5 transcript and protein level. Altogether, these results suggest that the sodium current can be increased by distribution of intracellular pools of protein to the plasma membrane (e.g. upon aldosterone stimulation) and that interaction with dystrophin multiprotein complex is required for the stabilization of the channel at the plasma membrane. Finally, we obtained preliminary results suggesting that the proteasome could regulate Nav1.5 in mdx5cv mice. This study defines regulatory mechanisms of Nav1.5 which could play an important role in cardiac arrhythmia and bring new insight in cardiac conduction alterations observed in patients with dystrophinopathies. Moreover, this work suggests that Brugada syndrome, and some of the cardiac alterations seen in Duchenne patients may be caused by overlapping molecular mechanisms leading to a reduction of the cardiac sodium current.

Phenotypical analysis of mice deficient for the channel activating protease CAP2

Channel activating proteases (CAP) are membrane-bound serine proteases that have been identified as in vitro activators of the epithelial sodium channel (ENaC). Two of them are mainly studied in the laboratory. CAP1/Prss8 was previously shown implicated in colonic sodium homeostasis in vivo. In the first part of this thesis, we generated and characterized mice deficient for CAP2/Tmprss4. The mice are healthy and viable, and they do not show any obvious phenotype. We investigated ENaC activity and expression under regular and sodium- deficient diet, and we could demonstrate that CAP2 is not a major regulator of sodium homeostasis in vivo. We next studied whether CAP2 is implicated in potassium homeostasis. We detected a strong gender-dependency when CAP2 knock-out mice were put under a potassium-deficient diet. We showed in male mice an implication of CAP2 in the regulation of the colonic H+, K+- ATPase, and we propose an implication of membrane-associated progesterone receptors and their binding partners, as well as a possible cleavage-mediated glucocorticoid receptor signalling. We studied the possible interaction between CAPI and CAP2 by generating and characterizing two different mouse study groups, displaying different hypomorphic mutations in the CAPI gene, and deficient for CAP2. We demonstrate that balanced expression of CAPI and CAP2 is required for maintainance of skin integrity and for normal placental development. As CAPI knock-out embryos die due to a placental failure, the additional combined deletion of CAP2 resulted in survival until birth. We could evidence that CAPI and CAP2 are implicated in the same signalling pathway as proposed in cancer studies at the level of the placenta, implicating integrin a5, ERK, AKT, E- and N-cadherin. Furthermore, we investigated whether CAPI is implicated in the pathogenesis and susceptibility to experimental chronic colitis in a mutant rat model. By giving CAPI mutant rats Dextran sodium sulfate, we induced chronic inflammation of the colon, and we highlighted the protective role of CAPI at the histopathological and clinical levels. In conclusion, we showed that CAP2 is not a major regulator of ENaC-mediated sodium homeostasis in vivo, but rather a regulator of potassium homeostasis in a gender-dependent manner implicating the colonic H+, K+-ATPase, membrane progesterone receptors, and the glucocorticoid receptor. We have investigated whether CAPI and CAP2 interact at the functional level, and we show that a balanced expression of CAPI and CAP2 is required in the skin, but also in the placenta. Imbalanced expression of CAPI and CAP2 leads to impaired EMT-associated signalling. We have studied whether CAPI is implicated in the pathogenesis and susceptibility to chronic colitis, and we demonstrated the protective role of CAPI in distal colon. -- Les protéases activatrices de canal (CAP) sont des protéases à serine attachées à la membrane qui ont été identifiées comme activateurs in vitro du canal sodique épithélial (ENaC). Deux de ces protéases sont principalement étudiées dans le laboratoire. CAP1/Prss8 a été identifié préalablement comme impliqué dans l'homéostasie du sodium in vivo au niveau du côlon. Dans la première partie de cette thèse, nous avons généré et caractérisé des souris déficientes pour CAP2/Tmprss4. Les souris sont en bonne santé et viables, et elles ne présentent pas de phénotype visible. Nous avons étudié l'activité et l'expression d'ENaC sous diète normale et déficiente en sodium, et nous avons démontré que CAP2 n'est pas un régulateur essentiel de l'homéostasie sodique in vivo. Nous avons ensuite étudié si CAP2 est impliqué dans l'homéostasie du potassium. Nous avons détecté une forte dépendance du sexe lorsque les souris knock-out pour CAP2 étaient placées sous diète déficiente en potassium. Nous avons démontré dans les souris mâles une implication de CAP2 dans la régulation de la H+, K+- ATPase colonique, des récepteurs membranaires à la progestérone et de leur partenaires de liaison, ainsi que dans la possible signalisation médiée par le clivage du récepteur aux glucocorticoïdes. Nous avons étudié l'interaction possible entre CAPI et CAP2 en générant et en caractérisant deux groupes d'étude de souris différents, porteurs de différentes mutations hypomorphiques dans le gène de CAPI, et déficients pour CAP2. Nous avons pu montrer qu'une expression équilibrée de CAPI et CAP2 est requise pour le maintien de l'intégrité de la peau et pour le développement normal du placenta. Les embryons knock-out pour CAPI meurent suite à une défaillance placentaire, et la délétion additionnelle et combinée de CAP2 permet la survie jusqu'à la naissance. Nous supposons que CAPI et CAP2 sont impliqués dans la même voie de signalisation au niveau du placenta que celle proposée dans les études de cancer, impliquant l'intégrine a5, ERK, AKT, E- et N-cadhérine. De plus, nous avons étudié si CAPI est impliqué dans la pathogenèse et la susceptibilité de colite chronique expérimentale dans un modèle de rat mutant. En administrant aux rats mutants pour CAPI du Dextran sodium sulfate, nous avons induit une inflammation chronique du côlon, et nous avons pu mettre en évidence le rôle protecteur de CAPI au niveau histopathologique et au niveau clinique. En conclusion, nous avons démontré que CAP2 n'est pas un régulateur essentiel de l'homéostasie sodique médiée par ENaC in vivo, mais plutôt de l'homéostasie potassique d'une manière dépendante du sexe et impliquant la H+, K+-ATPase colonique, les récepteurs membranaires à la progestérone et le récepteur aux glucocorticoïdes. Nous avons étudié si CAPI et CAP2 interagissent au niveau fonctionnel, et nous avons montré qu'une expression équilibrée entre CAPI et CAP2 est requise dans la peau et le placenta. L'expression déséquilibrée de CAPI et CAP2 mène à une altération de la signalisation associée à l'EMT. Nous avons étudié si CAPI est impliqué dans la pathogenèse et la susceptibilité de colite chronique expérimentale, et nous avons démontré le rôle protecteur de CAPI dans le côlon distal.

A Novel Missense Mutation, I890T, in the Pore Region of Cardiac Sodium Channel Causes Brugada Syndrome

Brugada syndrome (BrS) is a life-threatening, inherited arrhythmogenic syndrome associated with autosomal dominant mutations in SCN5A, the gene encoding the cardiac Na₊ channel alpha subunit (Naᵥ1.5). The aim of this work was to characterize the functional alterations caused by a novel SCN5A mutation, I890T, and thus establish whether this mutation is associated with BrS. The mutation was identified by direct sequencing of SCN5A from the proband’s DNA. Wild-type (WT) or I890T Naᵥ1.5 channels were heterologously expressed in human embryonic kidney cells. Sodium currents were studied using standard whole cell patch-clamp protocols and immunodetection experiments were performed using an antibody against human Naᵥ1.5 channel. A marked decrease in current density was observed in cells expressing the I890T channel (from -52.0 ± 6.5 pA/pF, n=15 to 35.9 ± 3.4 pA/pF, n = 22, at -20 mV, WT and I890T, respectively). Moreover, a positive shift of the activation curve was identified (V½ =-32.0 ± 0.3 mV, n = 18, and -27.3 ± 0.3 mV, n = 22, WT and I890T, respectively). No changes between WT and I890T currents were observed in steady-state inactivation, time course of inactivation, slow inactivation or recovery from inactivation parameters. Cell surface protein biotinylation analyses confirmed that Nav1.5 channel membrane expression levels were similar in WT and I890T cells. In summary, our data reveal that the I890T mutation, located within the pore of Nav1.5, causes an evident loss-of-function of the channel. Thus, the BrS phenotype observed in the proband is most likely due to this mutation

The long-term use of enalapril and hydrochlorothiazide in two novel mutations patients with Dent's disease type 1

Dent's disease type 1 is an X-linked tubular disease caused by mutations in the renal chloride channel CLCN-5, and it is characterized by low molecular weight proteinuria, hypercalciuria, nephrocalcinosis, and renal failure. Several cases have been described in which the only presenting symptoms were asymptomatic proteinuria, and focal segmental or global glomerulosclerosis. The renal failure in these patients may be caused by hypercalciuria and persistent proteinuria. Therefore, angiotensin converse enzyme inhibitor and thiazides could be useful. Our aim is to report the effects of these drugs in two novel mutations patients with Dent's disease type 1. In this report, no significant correlations between dosage of hydrochlorothiazide and calciuria and no significant correlations between proteinuria and dosage of enalapril were detected. This is important since these are polyuric patients and these drugs could be dangerous to their renal function.

Implication des canaux K+ dans les processus de réparation de l’épithélium respiratoire sain et fibrose kystique

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations du gène codant pour le canal Cl- CFTR. Au niveau respiratoire, cette dysfonction du transport transépithélial de Cl- occasionne une altération de la composition et du volume du liquide de surface des voies aériennes. Une accumulation de mucus déshydraté favorise alors la colonisation bactérienne et une réponse inflammatoire chronique, entraînant des lésions épithéliales sévères au niveau des voies aériennes et des alvéoles pouvant culminer en défaillance respiratoire. Le principal objectif de mon projet de maîtrise était d’étudier les processus de réparation de l’épithélium alvéolaire sain, l’épithélium bronchique sain et FK à l’aide d’un modèle in vitro de plaies mécaniques. Nos résultats démontrent la présence d’une boucle autocrine EGF/EGFR contrôlant les processus de migration cellulaire et de réparation des lésions mécaniques. D’autre part, nos expériences montrent que l’EGF stimule l’activité et l’expression des canaux K+ KATP, KvLQT1 et KCa3.1 des cellules épithéliales respiratoires. L’activation de ces canaux est cruciale pour les processus de réparation puisque la majeure partie de la réparation stimulée à l’EGF est abolie en présence d’inhibiteurs de ces canaux. Nous avons également observé que les cellules FK présentent un délai de réparation, probablement causé par un défaut de la réponse EGF/EGFR et une activité/expression réduite des canaux K+. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de régulation des processus de réparation de l’épithélium sain et FK. De plus, ils ouvrent de nouvelles options thérapeutiques visant à promouvoir, à l’aide d’activateurs de canaux K+ et de facteurs de croissance, la régénération de l’épithélium respiratoire chez les patients atteints de FK.

Analyse fonctionnelle de deux nouvelles mutations récessives de l’AQP2 impliquées dans le diabète insipide néphrogénique par expression dans les ovocytes de Xenopus laevis

Le diabète insipide néphrogénique (DIN) autosomal peut être causé par les mutations du gène codant pour le canal à eau aquaporine-2 (AQP2). Un modèle couramment utilisé pour l’étude des protéines membranaires telle l’AQP2 est l’expression hétérologue dans les ovocytes de Xenopus laevis. Malheureusement, les techniques déjà existantes de purification de membranes plasmiques sont soit trop longues, trop difficiles ou demandent trop de matériel, ne permettent pas l’analyse adéquate du ciblage des formes sauvage comme mutantes, un élément crucial de ce type d’étude. Nous avons donc dans un premier temps mis au point une technique rapide et efficace de purification de membranes plasmiques qui combine la digestion partielle de la membrane vitelline, sa polymérisation à la membrane plasmique suivi de centrifugations à basse vitesse pour récolter les membranes purifiées. Nous avons utilisé cette technique dans l’étude de deux nouveaux cas familiaux de patients hétérozygotes possédant les mutations V24A et R187C dans un cas et K228E et R187C dans le second cas. Pour chaque mutation, nous avons analysé autant les éléments de fonctionnalité que les paramètres d’expression des protéines mutantes. Les expériences de perméabilité membranaire démontrent que les ovocytes exprimant AQP2-V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) et AQP2- K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) ont des activités similaires à celle exprimant la forme native (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), tandis que AQP2- R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) ne semble avoir aucune activité comme ce qui est observé chez les ovocytes non-injectés (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). Les études de co-expression ont démontré un effet d’additivité lorsque AQP2-V24A et -K228E sont injectées avec la forme native et un effet s’apparentant à la dominance négative lorsque AQP2-R187C est injecté avec la forme native, avec AQP2-V24A ou avec –K228E. Les résultats obtenus par immunobuvardage représente bien ce qui a été démontré précédemment, on remarque la présence des mutations K228E, V24A et la forme sauvage à la membrane plasmique, contrairement à la mutation R187C. Cependant, lorsque les mutations sont exprimées dans des cellules mIMCD-3, il n’y a qu’une faible expression à la membrane de la forme –K228E et une absence totale des formes –V24A et –R187C à la membrane plasmique, contrairement à la forme native. Les résultats de nos études démontrent que tout dépendant du système d’expression les formes –K228E et –V24A peuvent être utiles dans l’étude des problèmes d’adressage à la membrane à l’aide de chaperonne chimique. De plus, la forme –R187C démontre des difficultés d’adressage qui devront être étudiées afin de mieux comprendre la synthèse des formes natives.

Calmodulin/KCa3.1 channel interactions as determinant to the KCa3.1 Ca2+ dependent gating : theoretical and experimental analyses

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+.

Régulation des processus de réparation de l’épithélium bronchique sain et Fibrose Kystique par le TNF-alpha

La Fibrose Kystique, causée par des mutations du canal CFTR, mène à la dysfonction du transport des fluides et des ions causant la déshydratation du liquide de surface des voies aériennes et ainsi une défaillance de la clairance mucocilliaire. Ce défaut entraine l’accumulation et l’épaississement du mucus au niveau des bronches qui devient alors un environnement idéal pour le développement d’infections chroniques et d’inflammation qui sont associées à la destruction progressive de l’épithélium chez les patients Fibrose Kystique. Même si leur rôle dans les processus lésionnels est très bien connu, l’impact de médiateurs inflammatoires sur la capacité de réparation ne l’est cependant pas. L’objectif de ma maitrise était donc d’étudier la régulation des mécanismes de réparation de l’épithélium bronchique sain et Fibrose Kystique par le facteur de nécrose tumoral (TNF)-alpha, une cytokine pro-inflammatoire cruciale dans l’initiation et la propagation de la réponse inflammatoire chez les patients FK. À l’aide d’un modèle de plaies mécaniques, nous avons montré que le TNF-alpha stimule la réparation de l’épithélium bronchique sain (NuLi-1) et Fibrose Kystique (CuFi-1). De façon surprenante, l’exposition chronique au TNF-alpha augmente cette stimulation tout comme le taux de migration cellulaire pendant la réparation. Cette augmentation de réparation semble être médiée par l’activation de la métalloprotéinase MMP-9, la relâche d’EGF par les cellules épithéliales et ainsi l’activation de la voie d’EGFR. De plus, l’activation de la réparation par le TNF-alpha semble aussi impliquer l’activation des canaux K+, dont nous avons démontré le rôle important dans la réparation. Contrairement à son effet sur la migration cellulaire et sur la réparation, le TNF-alpha diminue la prolifération cellulaire. En somme, en plus de son rôle dans les processus lésionnels, le TNF-alpha semble avoir un rôle complexe dans les processus de réparation puisqu’il stimule la migration et ralentit la prolifération cellulaire.

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.

Inhibition of synaptic transmission and G protein modulation by synthetic CaV2.2 Ca2+ channel peptides

Abstract: Modulation of presynaptic voltage-dependent Ca+ channels is a major means of controlling neurotransmitter release. The CaV 2.2 Ca2+ channel subunit contains several inhibitory interaction sites for Gβγ subunits, including the amino terminal (NT) and I–II loop. The NT and I–II loop have also been proposed to undergo a G protein-gated inhibitory interaction, whilst the NT itself has also been proposed to suppress CaV 2 channel activity. Here, we investigate the effects of an amino terminal (CaV 2.2[45–55]) ‘NT peptide’ and a I–II loop alpha interaction domain (CaV 2.2[377–393]) ‘AID peptide’ on synaptic transmission, Ca2+ channel activity and G protein modulation in superior cervical ganglion neurones (SCGNs). Presynaptic injection of NT or AID peptide into SCGN synapses inhibited synaptic transmission and also attenuated noradrenaline-induced G protein modulation. In isolated SCGNs, NT and AID peptides reduced whole-cell Ca2+ current amplitude, modified voltage dependence of Ca2+ channel activation and attenuated noradrenaline-induced G protein modulation. Co-application of NT and AID peptide negated inhibitory actions. Together, these data favour direct peptide interaction with presynaptic Ca2+ channels, with effects on current amplitude and gating representing likely mechanisms responsible for inhibition of synaptic transmission. Mutations to residues reported as determinants of Ca2+ channel function within the NT peptide negated inhibitory effects on synaptic transmission, Ca2+ current amplitude and gating and G protein modulation. A mutation within the proposed QXXER motif for G protein modulation did not abolish inhibitory effects of the AID peptide. This study suggests that the CaV 2.2 amino terminal and I–II loop contribute molecular determinants for Ca2+ channel function; the data favour a direct interaction of peptides with Ca2+ channels to inhibit synaptic transmission and attenuate G protein modulation. Non-technical summary: Nerve cells (neurones) in the body communicate with each other by releasing chemicals (neurotransmitters) which act on proteins called receptors. An important group of receptors (called G protein coupled receptors, GPCRs) regulate the release of neurotransmitters by an action on the ion channels that let calcium into the cell. Here, we show for the first time that small peptides based on specific regions of calcium ion channels involved in GPCR signalling can themselves inhibit nerve cell communication. We show that these peptides act directly on calcium channels to make them more difficult to open and thus reduce calcium influx into native neurones. These peptides also reduce GPCR-mediated signalling. This work is important in increasing our knowledge about modulation of the calcium ion channel protein; such knowledge may help in the development of drugs to prevent signalling in pathways such as those involved in pain perception.