Modulation of 1HERG/1K by cellular metabolites : implication in the arrhythmogenesis during myocardial ischemia

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Modulation of I����/I�� by cellular metabolites : implication in the arrhythmogenesis during myocardial ischemia

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

Études de type structure fonction du couplage électromécanique et de la coopérativité sous-unitaire chez les canaux potassiques dépendants du voltage

Les canaux potassiques voltage-dépendants forment des tétramères dont chaque sous-unité comporte six segments transmembranaires (S1 à S6). Le pore, formé des segments S5-S6 de chaque sous-unité, est entouré de quatre domaines responsables de la sensibilité au potentiel membranaire, les senseurs de voltage (VS; S1-S4). Lors d’une dépolarisation membranaire, le mouvement des résidus chargés situés dans le VS entraine un mouvement de charges détectable en électrophysiologie, le courant de « gating ». L’activation du VS conduit à l'ouverture du pore, qui se traduit par un changement de conformation en C-terminal du segment S6. Pour élucider les principes qui sous-tendent le couplage électromécanique entre ces deux domaines, nous avons étudié deux régions présumées responsables du couplage chez les canaux de type Shaker K+, soit la région carboxy-terminale du segment S6 et le lien peptidique reliant les segments transmembranaire S4-S5 (S4-5L). Avec la technique du « cut-open voltage clamp fluorometry » (COVCF), nous avons pu déterminer que l’interaction inter-sous-unitaire RELY, formée par des acides aminés situés sur le lien S4-5L et S6 de deux sous-unités voisines, est impliquée dans le développement de la composante lente observée lors du retour des charges de « gating » vers leur état de repos, le « OFF-gating ». Nous avons observé que l’introduction de mutations dans la région RELY module la force de ces interactions moléculaires et élimine l’asymétrie observée dans les courants de « gating » de type sauvage. D’ailleurs, nous démontrons que ce couplage inter-sous-unitaire est responsable de la stabilisation du pore dans l’état ouvert. Nous avons également identifié une interaction intra-sous-unitaire entre les résidus I384 situé sur le lien S4-5L et F484 sur le segment S6 d’une même sous-unité. La déstabilisation de cette interaction hydrophobique découple complètement le mouvement des senseurs de voltage et l'ouverture du pore. Sans cette interaction, l’énergie nécessaire pour activer les VS est moindre en raison de l’absence du poids mécanique appliqué par le pore. De plus, l’abolition du couplage électromécanique élimine également le « mode shift », soit le déplacement de la dépendance au voltage des charges de transfert (QV) vers des potentiels hyperpolarisants. Ceci indique que le poids mécanique du pore imposé au VS entraine le « mode shift », en modulant la conformation intrinsèque du VS par un processus allostérique.

Implications des canaux K+ sur la régulation génique du canal ENaC, et impact de l'hyperglycémie sur le transport ionique et la réparation de l'épithélium respiratoire

Dans mon projet de doctorat, j’ai étudié des fonctions primordiales de l’épithélium respiratoire telles que la régulation du transport ionique, la clairance liquidienne et la réparation épithéliale. J’ai particulièrement mis l’emphase sur le rôle des canaux potassiques qui interviennent dans ces trois fonctions de l’épithélium respiratoire. J’ai tout d’abord prouvé que la modulation des canaux potassiques régulait l’activité du promoteur de αENaC, en partie via la voie de signalisation ERK1/2, dans des cellules alvéolaires. Cette régulation entraîne une variation de l’expression génique et protéique du canal ENaC. Physiologiquement, il en résulte une augmentation du phénomène de clairance liquidienne suite à l’activation des canaux K+, tandis que l’inhibition de ces canaux la diminue sévèrement. J’ai aussi pu démontrer que l’absence de canal KvLQT1 entraînait une diminution du courant (ENaC) sensible à l’amiloride, dans les cellules de trachée en culture primaire, isolées de souris KO pour kcnq1. Dans la seconde partie de mon étude, j’ai évalué l’impact de l’hyperglycémie sur la capacité de transport ionique et de réparation de cellules épithéliales bronchiques saines ou Fibrose Kystique. Mes résultats montrent que l’hyperglycémie diminue le transport transépithélial de chlore et le transport basolatéral de potassium. Des études préalables du laboratoire ayant montré que les canaux K+ et Cl- contrôlent les processus de réparation, j’ai donc évalué si ceux-ci étaient modifiés par l’hyperglycémie. Et en effet, l’hyperglycémie ralentit la vitesse de réparation des cellules issues des voies aériennes (CFBE-wt et CFBE-ΔF508). J’ai donc démontré que le transport de potassium intervenait dans des fonctions clés de l’épithélium respiratoire, comme dans la régulation génique de canaux ioniques, le contrôle de la clairance liquidienne alvéolaire, et que l’hyperglycémie diminuait le transport ionique (K+ et Cl-) et la réparation épithéliale.

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.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Thermoanalytical studies of natural potassium, sodium and ammonium alunites

Dynamic and controlled rate thermal analysis (CRTA) has been used to characterise alunites of formula [M(Al)3(SO4)2(OH)6 ] where M+ is the cations K+, Na+ or NH4+. Thermal decomposition occurs in a series of steps. (a) dehydration, (b) well defined dehydroxylation and (c) desulphation. CRTA offers a better resolution and a more detailed interpretation of water formation processes via approaching equilibrium conditions of decomposition through the elimination of the slow transfer of heat to the sample as a controlling parameter on the process of decomposition. Constant-rate decomposition processes of water formation reveal the subtle nature of dehydration and dehydroxylation.

Delamination of kaolinite - potassium acetate intercalates by ball-milling

Structural changes in intercalated kaolinite after wet ball-milling were examined by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), specific surface area (SSA) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). The X-ray diffraction pattern at room temperature indicated that the intercalation of potassium acetate into kaolinite causes an increase of the basal spacing from 0.718 to 1.42 nm, and with the particle size reduction, the surface area increased sharply with the intercalation and delamination by ball-milling. The wet ball-milling kaolinite after intercalation did not change the structural order, and the particulates have high aspect ratio according SEM images.

Thermal analysis and infrared emission spectroscopic study of halloysite-potassium acetate intercalation compound

The thermal decomposition of halloysite-potassium acetate intercalation compound was investigated by thermogravimetric analysis and infrared emission spectroscopy. The X-ray diffraction patterns indicated that intercalation of potassium acetate into halloysite caused an increase of the basal spacing from 1.00 to 1.41 nm. The thermogravimetry results show that the mass losses of intercalation the compound occur in main three main steps, which correspond to (a) the loss of adsorbed water (b) the loss of coordination water and (c) the loss of potassium acetate and dehydroxylation. The temperature of dehydroxylation and dehydration of halloysite is decreased about 100 °C. The infrared emission spectra clearly show the decomposition and dehydroxylation of the halloysite intercalation compound when the temperature is raised. The dehydration of the intercalation compound is followed by the loss of intensity of the stretching vibration bands at region 3600-3200 cm-1. Dehydroxylation is followed by the decrease in intensity in the bands between 3695 and 3620 cm-1. Dehydration was completed by 300 °C and partial dehydroxylation by 350 °C. The inner hydroxyl group remained until around 500 °C.

Influencing factors on kaolinite-potassium acetate intercalation complexes

This paper presents an immersion method for preparing the kaolinite-potassium acetate intercalation complexes. The effectiveness of intercalation and influencing factors were analysed and evaluated. The results show that the intercalation of kaolinite by potassium acetate is strongly related to crystallinity of kaolinite, concentration of intercalating agent solution, aging time and pH. The well-crystallized kaolinite is conducive to intercalation by potassium acetate. A higher concentration of intercalating agent (≥30%) can complete the intercalation in a short time (<12h), but at lower concentrations intercalation took significantly longer (≥144h). The weak alkaline condition of pH=10 proved to be the most suitable environment for the formation of intercalation complex. A good intercalated complex can be obtained at room temperature.

Thermal analysis and infrared emission spectroscopic study of kaolinite-potassium acetate intercalate complex

The thermal behavior and decomposition of kaolinite-potassium acetate intercalation complex was investigated through a combination of thermogravimetric analysis and infrared emission spectroscopy. Three main changes were observed at 48, 280, 323 and 460 °C which were attributed to (a) the loss of adsorbed water (b) loss of the water coordinated to acetate ion in the layer of kaolinite (c) loss of potassium acetate in the complex and (d) water through dehydroxylation. It is proposed that the KAc intercalation complex is stability except heating at above 300 °C. The infrared emission spectra clearly show the decomposition and dehydroxylation of the kaolinite intercalation complex when the temperature is raised. The dehydration of the intercalation complex is followed by the loss of intensity of the stretching vibration bands at region 3600-3200 cm-1. Dehydroxylation is followed by the decrease in intensity in the bands between 3695 and 3620 cm-1. Dehydration is completed by 400 °C and partial dehydroxylation by 650 °C. The inner hydroxyl group remained until around 700 °C.

Infrared spectroscopic study of halloysite-potassium acetate intercalation complex

Mid-infrared (MIR) and near-infrared (NIR) spectroscopy have been used to study the molecular structure of halloysite and potassium acetate intercalated halloysite and to determine the structural changes of halloysite through intercalation. The MIR spectra show all fundamental vibrations including the hydroxyl units, basic aluminosilicate framework and water molecules in the structure of halloysite and its intercalation complex. Comparison between halloysite and halloysite-potassium acetate intercalation complex shows almost all bands observed for halloysite are also observed for halloysite-potassium acetate intercalation complex apart from bands observed in the 1700-1300 cm-1 region, but with differences in band intensity. However, NIR, based on MIR spectra, provide sufficient evidence to analyze the structural changes of halloysite through intercalation. There are obvious differences between halloysite and halloysite-potassium acetate intercalation complex in the all spectral ranges. Therefore, the reproducibility of measurement and richness of qualitative information should be simultaneously considered for proper selection of a spectroscopic method for molecular structural analysis.

Thermal behavior and decomposition of kaolinite-potassium acetate intercalation composite

A series of kaolinite-potassium acetate intercalation composite was prepared. The thermal behavior and decomposition of these composites were investigated by simultaneous differential scanning calorimetry-thermogravimetric analysis (DSC-TGA), X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transformation infrared (FT-IR). The XRD pattern at room temperature indicated that intercalation of potassium acetate into kaolinite causes an increase of the basal spacing from 0.718 to 1.428nm. The peak intensity of the expanded phase of the composite decreased with heating above 300°C, and the basal spacing reduced to 1.19nm at 350°C and 0.718nm at 400°C. These were supported by DSC-TGA and FT-IR measurements, where the endothermic reactions are observed between 300 and 600°C. These reactions can be divided into two stages: 1) Removal of the intercalated molecules between 300-400°C. 2) Dehydroxylation of kaolinite between 400-600°C. Significant changes were observed in the infrared bands assigned to outer surface hydroxyl, inner surface hydroxyl, inner hydroxyl and hydrogen bands.