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.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

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.

Diverse mechanisms underlying the regulation of ion channels by carbon monoxide

Carbon monoxide is firmly established as an important, physiological signalling molecule as well as a potent toxin. Through its ability to bind metal-containing proteins it is known to interfere with a number of intracellular signalling pathways, and such actions can account for its physiological and pathological effects. In particular, CO can modulate the intracellular production of reactive oxygen species, nitric oxide and cGMP levels, as well as regulate MAP kinase signalling. In this review, we consider ion channels as more recently discovered effectors of CO signalling. CO is now known to regulate a growing number of different ion channel types, and detailed studies of the underlying mechanisms of action are revealing unexpected findings. For example, there are clear areas of contention surrounding its ability to increase the activity of high conductance, Ca2+ -sensitive K+ channels. More recent studies have revealed the ability of CO to inhibit T-type Ca2+ channels and have unveiled a novel signalling pathway underlying tonic regulation of this channel. It is clear that the investigation of ion channels as effectors of CO signalling is in its infancy, and much more work is required to fully understand both the physiological and the toxic actions of this gas. Only then can its emerging use as a therapeutic tool be fully and safely exploited.

Diverse mechanisms underlying the regulation of ion channels by carbon monoxide

Carbon monoxide (CO) is firmly established as an important, physiological signalling molecule as well as a potent toxin. Through its ability to bind metal-containing proteins, it is known to interfere with a number of intracellular signalling pathways, and such actions can account for its physiological and pathological effects. In particular, CO can modulate the intracellular production of reactive oxygen species, NO and cGMP levels, as well as regulate MAPK signalling. In this review, we consider ion channels as more recently discovered effectors of CO signalling. CO is now known to regulate a growing number of different ion channel types, and detailed studies of the underlying mechanisms of action are revealing unexpected findings. For example, there are clear areas of contention surrounding its ability to increase the activity of high conductance, Ca2+ -sensitive K+ channels. More recent studies have revealed the ability of CO to inhibit T-type Ca2+ channels and have unveiled a novel signalling pathway underlying tonic regulation of this channel. It is clear that the investigation of ion channels as effectors of CO signalling is in its infancy, and much more work is required to fully understand both the physiological and the toxic actions of this gas. Only then can its emerging use as a therapeutic tool be fully and safely exploited.

The locus coeruleus and central chemosensitivity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Reduced Insulin Secretion in Protein Malnourished Mice Is Associated with Multiple Changes in the beta-Cell Stimulus-Secretion Coupling

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Iptakalim: A Potential Antipsychotic Drug with Novel Mechanisms?

Iptakalim is a novel putative adenosine triphosphate (ATP)-sensitive potassium (KATP) channel opener. In the brain, iptakalim is thought to act on the neuronal and astrocytic plasma membrane and/or mitochondrial KATP channels. Because iptakalim demonstrates an action on the regulation of dopamine and glutamate release in the forebrain regions, we examined its potential antipsychotic efficacy in several preclinical tests. First, we show that iptakalim is effective in reducing amphetamine- and phencyclidine-induced hyperlocomotion as well as selectively disrupting conditioned avoidance responding. Next, we show that combined iptakalim and amphetamine treatment produces a reduction on prepulse inhibition of acoustic startle and this combined drug effect is also found with haloperidol, but not with clozapine. Finally, we show that iptakalim and clozapine preferentially increase c-Fos expression in the medial prefrontal cortex, nucleus accumbens and lateral septal nucleus, whereas haloperidol induces a greater increase in the nucleus accumbens, the dorsolateral striatum and lateral septal nucleus. Collectively, our findings indicate that iptakalim is likely to be a potential antipsychotic drug with distinct mechanisms of action. This study also suggests that neuronal and astrocytic plasma membrane and/or mitochondrial KATP channels may be a novel target that deserves attention for antipsychotic drug development. Future research using other sensitive tests is needed to confirm this property of iptakalim.

Ether-A -go-go 1 (Eag1) Potassium Channel Expression in Dopaminergic Neurons of Basal Ganglia is Modulated by 6-Hydroxydopamine Lesion

The ether A go-go (Eag) gene encodes the voltage-gated potassium (K+) ion channel Kv10.1, whose function still remains unknown. As dopamine may directly affect K+ channels, we evaluated whether a nigrostriatal dopaminergic lesion induced by the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA) would alter Eag1-K+ channel expression in the rat basal ganglia and related brain regions. Male Wistar rats received a microinjection of either saline or 6-OHDA (unilaterally) into the medial forebrain bundle. The extent of the dopaminergic lesion induced by 6-OHDA was evaluated by apomorphine-induced rotational behavior and by tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity. The 6-OHDA microinjection caused a partial or complete lesion of dopaminergic cells, as well as a reduction of Eag1+ cells in a manner proportional to the extent of the lesion. In addition, we observed a decrease in TH immunoreactivity in the ipsilateral striatum. In conclusion, the expression of the Eag1-K+-channel throughout the nigrostriatal pathway in the rat brain, its co-localization with dopaminergic cells and its reduction mirroring the extent of the lesion highlight a physiological circuitry where the functional role of this channel can be investigated. The Eag1-K+ channel expression in dopaminergic cells suggests that these channels are part of the diversified group of ion channels that generate and maintain the electrophysiological activity pattern of dopaminergic midbrain neurons.

Nerve excitability studies characterize Kv1.1 fast potassium channel dysfunction in patients with episodic ataxia type 1

Episodic ataxia type 1 is a neuronal channelopathy caused by mutations in the KCNA1 gene encoding the fast K(+) channel subunit K(v)1.1. Episodic ataxia type 1 presents with brief episodes of cerebellar dysfunction and persistent neuromyotonia and is associated with an increased incidence of epilepsy. In myelinated peripheral nerve, K(v)1.1 is highly expressed in the juxtaparanodal axon, where potassium channels limit the depolarizing afterpotential and the effects of depolarizing currents. Axonal excitability studies were performed on patients with genetically confirmed episodic ataxia type 1 to characterize the effects of K(v)1.1 dysfunction on motor axons in vivo. The median nerve was stimulated at the wrist and compound muscle action potentials were recorded from abductor pollicis brevis. Threshold tracking techniques were used to record strength-duration time constant, threshold electrotonus, current/threshold relationship and the recovery cycle. Recordings from 20 patients from eight kindreds with different KCNA1 point mutations were compared with those from 30 normal controls. All 20 patients had a history of episodic ataxia and 19 had neuromyotonia. All patients had similar, distinctive abnormalities: superexcitability was on average 100% higher in the patients than in controls (P < 0.00001) and, in threshold electrotonus, the increase in excitability due to a depolarizing current (20% of threshold) was 31% higher (P < 0.00001). Using these two parameters, the patients with episodic ataxia type 1 and controls could be clearly separated into two non-overlapping groups. Differences between the different KCNA1 mutations were not statistically significant. Studies of nerve excitability can identify K(v)1.1 dysfunction in patients with episodic ataxia type 1. The simple 15 min test may be useful in diagnosis, since it can differentiate patients with episodic ataxia type 1 from normal controls with high sensitivity and specificity.

Outward Rectification of Voltage-Gated K+ Channels Evolved at Least Twice in Life History

Voltage-gated potassium (K+) channels are present in all living systems. Despite high structural similarities in the transmembrane domains (TMD), this K+ channel type segregates into at least two main functional categories—hyperpolarization-activated, inward-rectifying (Kin) and depolarization-activated, outward-rectifying (Kout) channels. Voltage-gated K+ channels sense the membrane voltage via a voltage-sensing domain that is connected to the conduction pathway of the channel. It has been shown that the voltage-sensing mechanism is the same in Kin and Kout channels, but its performance results in opposite pore conformations. It is not known how the different coupling of voltage-sensor and pore is implemented. Here, we studied sequence and structural data of voltage-gated K+ channels from animals and plants with emphasis on the property of opposite rectification. We identified structural hotspots that alone allow already the distinction between Kin and Kout channels. Among them is a loop between TMD S5 and the pore that is very short in animal Kout, longer in plant and animal Kin and the longest in plant Kout channels. In combination with further structural and phylogenetic analyses this finding suggests that outward-rectification evolved twice and independently in the animal and plant kingdom.

Ceramide-induced inhibition of T lymphocyte voltage-gated potassium channel is mediated by tyrosine kinases

The n-type K+ channel (n-K+, Kv1.3) in lymphocytes has been recently implicated in the regulation of Fas-induced programmed cell death. Here, we demonstrate that ceramide, a lipid metabolite synthesized upon Fas receptor ligation, inhibits n-K+ channel activity and induces a tyrosine phosphorylation of the Kv1.3 protein in Jurkat T lymphocytes. Tyrosine phosphorylation of the n-K+ channel correlated with an activation of the Src-like tyrosine kinase p56lck upon cellular treatment with the ceramide analog C6-ceramide. Because genetic deficiency of p56lck or inhibition of Src-like tyrosine kinases by herbimycin A prevented ceramide-mediated n-K+ channel inhibition and tyrosine phosphorylation, we propose a ceramide-initiated activation of p56lck resulting in tyrosine phosphorylation and inhibition of the n-K+ channel protein.

ORK1, a potassium-selective leak channel with two pore domains cloned from Drosophila melanogaster by expression in Saccharomyces cerevisiae

A K+ channel gene has been cloned from Drosophila melanogaster by complementation in Saccharomyces cerevisiae cells defective for K+ uptake. Naturally expressed in the neuromuscular tissues of adult flies, this gene confers K+ transport capacity on yeast cells when heterologously expressed. In Xenopus laevis oocytes, expression yields an ungated K+-selective current whose attributes resemble the “leak” conductance thought to mediate the resting potential of vertebrate myelinated neurons but whose molecular nature has long remained elusive. The predicted protein has two pore (P) domains and four membrane-spanning helices and is a member of a newly recognized K+ channel family. Expression of the channel in flies and yeast cells makes feasible studies of structure and in vivo function using genetic approaches that are not possible in higher animals.

Cannabinoid-induced mesenteric vasodilation through an endothelial site distinct from CB1 or CB2 receptors

Cannabinoids, including the endogenous ligand arachidonyl ethanolamide (anandamide), elicit not only neurobehavioral but also cardiovascular effects. Two cannabinoid receptors, CB1 and CB2, have been cloned, and studies with the selective CB1 receptor antagonist SR141716A have implicated peripherally located CB1 receptors in the hypotensive action of cannabinoids. In rat mesenteric arteries, anandamide-induced vasodilation is inhibited by SR141716A, but other potent CB1 receptor agonists, such as HU-210, do not cause vasodilation, which implicates an as-yet-unidentified receptor in this effect. Here we show that “abnormal cannabidiol” (Abn-cbd) is a neurobehaviorally inactive cannabinoid that does not bind to CB1 receptors, yet causes SR141716A-sensitive hypotension and mesenteric vasodilation in wild-type mice and in mice lacking CB1 receptors or both CB1 and CB2 receptors. Hypotension by Abn-cbd is also inhibited by cannabidiol (20 μg/g), which does not influence anandamide- or HU-210-induced hypotension. In the rat mesenteric arterial bed, Abn-cbd-induced vasodilation is unaffected by blockade of endothelial NO synthase, cyclooxygenase, or capsaicin receptors, but it is abolished by endothelial denudation. Mesenteric vasodilation by Abn-cbd, but not by acetylcholine, sodium nitroprusside, or capsaicine, is blocked by SR141716A (1 μM) or by cannabidiol (10 μM). Abn-cbd-induced vasodilation is also blocked in the presence of charybdotoxin (100 nM) plus apamin (100 nM), a combination of K+-channel toxins reported to block the release of an endothelium-derived hyperpolarizing factor (EDHF). These findings suggest that Abn-cbd and cannabidiol are a selective agonist and antagonist, respectively, of an as-yet-unidentified endothelial receptor for anandamide, activation of which elicits NO-independent mesenteric vasodilation, possibly by means of the release of EDHF.

Basolateral membrane targeting of a renal-epithelial inwardly rectifying potassium channel from the cortical collecting duct, CCD-IRK3, in MDCK cells

We recently cloned an inward-rectifying K channel (Kir) cDNA, CCD-IRK3 (mKir 2.3), from a cortical collecting duct (CCD) cell line. Although this recombinant channel shares many functional properties with the “small-conductance” basolateral membrane Kir channel in the CCD, its precise subcellular localization has been difficult to elucidate by conventional immunocytochemistry. To circumvent this problem, we studied the targeting of several different epitope-tagged CCD-IRK3 in a polarized renal epithelial cell line. Either the 11-amino acid span of the vesicular stomatitis virus (VSV) G glycoprotein (P5D4 epitope) or a 6-amino acid epitope of the bovine papilloma virus capsid protein (AU1) was genetically engineered on the extreme N terminus of CCD-IRK3. As determined by patch-clamp and two-microelectrode voltage-clamp analyses in Xenopus oocytes, neither tag affected channel function; no differences in cation selectivity, barium block, single channel conductance, or open probability could be distinguished between the wild-type and the tagged constructs. MDCK cells were transfected with tagged CCD-IRK3, and several stable clonal cell lines were generated by neomycin-resistance selection. Immunoprecipitation studies with anti-P5D4 or anti-AU1 antibodies readily detected the predicted-size 50-kDa protein in the transfected cells lines but not in wild-type or vector-only (PcB6) transfected MDCK cells. As visualized by indirect immunofluorescence and confocal microscopy, both the tagged CCD-IRK3 forms were exclusively detected on the basolateral membrane. To assure that the VSV G tag was not responsible for the targeting, the P5D4 epitope modified by a site-directed mutagenesis (Y2F) to remove a potential basolateral targeting signal contained in this tag. VSV(Y2F) was also detected exclusively on the basolateral membrane, confirming bona fide IRK3 basolateral expression. These observations, with our functional studies, suggest that CCD-IRK3 may encode the small-conductance CCD basolateral K channel.