Chaotic model and memory in single calcium-activated potassium channel kinetics

Ion channels are pores formed by proteins and responsible for carrying ion fluxes through cellular membranes. The ion channels can assume conformational states thereby controlling ion flow. Physically, the conformational transitions from one state to another are associated with energy barriers between them and are dependent on stimulus, such as, electrical field, ligands, second messengers, etc. Several models have been proposed to describe the kinetics of ion channels. The classical Markovian model assumes that a future transition is independent of the time that the ion channel stayed in a previous state. Others models as the fractal and the chaotic assume that the rate of transitions between the states depend on the time that the ionic channel stayed in a previous state. For the calcium activated potassium channels of Leydig cells the R/S Hurst analysis has indicated that the channels are long-term correlated with a Hurst coefficient H around 0.7, showing a persistent memory in this kinetic. Here, we applied the R/S analysis to the opening and closing dwell time series obtained from simulated data from a chaotic model proposed by L. Liebovitch and T. Toth [J. Theor. Biol. 148, 243 (1991)] and we show that this chaotic model or any model that treats the set of channel openings and closings as independent events is inadequate to describe the long-term correlation (memory) already described for the experimental data. (C) 2008 American Institute of Physics.

The human CFTR protein expressed in CHO cells activates aquaporin-3 in a cAMP-dependent pathway: study by digital holographic microscopy.

The transmembrane water movements during cellular processes and their relationship to ionic channel activity remain largely unknown. As an example, in epithelial cells it was proposed that the movement of water could be directly linked to cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein activity through a cAMP-stimulated aqueous pore, or be dependent on aquaporin. Here, we used digital holographic microscopy (DHM) an interferometric technique to quantify in situ the transmembrane water fluxes during the activity of the epithelial chloride channel, CFTR, measured by patch-clamp and iodide efflux techniques. We showed that the water transport measured by DHM is fully inhibited by the selective CFTR blocker CFTRinh172 and is absent in cells lacking CFTR. Of note, in cells expressing the mutated version of CFTR (F508del-CFTR), which mimics the most common genetic alteration encountered in cystic fibrosis, we also show that the water movement is profoundly altered but restored by pharmacological manipulation of F508del-CFTR-defective trafficking. Importantly, whereas activation of this endogenous water channel required a cAMP-dependent stimulation of CFTR, activation of CFTR or F508del-CFTR by two cAMP-independent CFTR activators, genistein and MPB91, failed to trigger water movements. Finally, using a specific small-interfering RNA against the endogenous aquaporin AQP3, the water transport accompanying CFTR activity decreased. We conclude that water fluxes accompanying CFTR activity are linked to AQP3 but not to a cAMP-stimulated aqueous pore in the CFTR protein.

Couplage entre les régions IIS4-S5 et IIS6 lors de l’activation du canal calcique CaV2.3

Les canaux calciques dépendants du voltage CaV font partie de la famille structurale des canaux ioniques à 6 segments transmembranaires. Tout comme les canaux potassiques Kv, les canaux CaV possèdent une série de résidus chargés dans l’hélice S4 de chaque domaine ou sous-unité qui conférerait à la protéine une sensibilité aux changements de voltage. De plus les hélices S6 tapissent la paroi du pore et forment la porte d’activation de la protéine. Comment le mouvement des hélices S4 se traduit par l’ouverture de la porte d’activation des hélices S6 demeure une question encore non résolue. Suite à la publication de la structure cristalline du canal Kv1.2 en 2005, le groupe de MacKinnon a proposé que le mouvement des hélices S4 est mécaniquement couplé à la porte d’activation S6 à travers le glissement de l’hélice amphiphile S4-S5 selon un mécanisme nommé couplage électromécanique (Long et al. 2005b). Dans le but de déterminer si la région S4-S5 joue un rôle dans l’activation du canal calcique CaV2.3, nous avons étudié, par la méthode d’analyse cyclique de mutations doubles (« Double Mutant Cycle Analysis », (Horovitz 1996)), le couplage entre la boucle S4-S5 et l’hélice S6 du domaine II de ce canal. Les mesures d’énergies d’activation, ΔGact, obtenues en présence des sous-unités auxiliaires CaVα2δ et CaVβ3 ont affiché un couplage significatif pour l’activation entre les paires de résidus V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, et S602G/I701G. Aucune de ces paires de résidus n’a affiché de couplage lors de l’inactivation, suggérant que les effets observés sont spécifiques au mécanisme d’activation. Mis ensemble, ces résultats suggèrent que la boucle IIS4-S5 et l’hélice IIS6 interagissent et jouent un rôle déterminant dans l’activation de CaV2.3.

Implication de l'aldostérone dans les changements hémodynamiques de la grossesse

La grossesse s’accompagne d’importantes modifications hormonales et hémodynamiques. Parmi celles-ci, le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) est activé très tôt durant la grossesse. De plus, cette augmentation du SRAA est accompagnée d’élévations du débit cardiaque et du volume plasmatique ainsi que des baisses paradoxales de la pression artérielle et de la résistance vasculaire périphérique. Ceci suggère que la grossesse induit un remaniement des réponses physiologiques normales au SRAA. Une résistance vasculaire à l’action des vasopresseurs est également observée durant la gestation. Ce phénomène serait causé par la modification de la fonction des canaux calciques et potassiques. De plus, il serait possiblement dû à la participation de la Na+/K+-ATPase, par son influence sur le potentiel membranaire des cellules des muscles lisses vasculaires (VSMC). La présence des récepteurs minéralocorticoïdes (MR) dans les VSMC laisse croire que l’aldostérone peut influencer le tonus vasculaire par des effets génomiques et non-génomiques. Compte tenu des connaissances actuelles, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation des taux sériques d’aldostérone durant la grossesse est responsable des changements hémodynamiques observés et que ces effets sont causés par l’activation des MR. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate de potassium (20 mg/kg•jr), un antagoniste des MR, durant la dernière semaine de gestation (sur 3). Sur des anneaux aortiques dénudés de leur endothélium, nous avons mesuré les réponses contractiles à la phényléphrine (PhE) et au KCl en présence d’un bloqueur des canaux calciques dépendants du voltage (VDCC), la nifédipine, et d’activateurs des canaux potassiques à large conductance (BKCa) et ceux dépendants de l’ATP (KATP), respectivement le NS-1619 et la cromakalim. Les réponses à la PhE et au KCl sont réduites à partir du 17e jour de gestation et le traitement au canrénoate augmente ces réponses dans tous les groupes. Les modulateurs de canaux ioniques atténuent les réponses à la PhE et au KCl. Cependant, le canrénoate modifie aussi les effets des modulateurs sur les aortes. Aucun effet ou une baisse des réponses est observable chez les rates non gestantes, tandis qu’une hausse de leur effet inhibiteur est notée chez les rates gestantes. Ces effets du canrénoate font croire que l’aldostérone participe à l’adaptation de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Par ailleurs, le potentiel membranaire des VSMC pourrait être affecté dans la gestation. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons évalué l’activité de la Na+/K+-ATPase, impliquée dans le contrôle du potentiel membranaire. Nos résultats démontrent que l’activité de la pompe est inhibée à partir du 19e jour de gestation. Cet effet est renversé par le canrénoate. Toutefois, comme le renversement de l’inhibition de la pompe est également présent chez les rates gestantes traitées avec du PST 2238, un antagoniste de l’ouabaïne sur la Na+/K+-ATPase, et que le canrénoate agit également comme agoniste partiel de la pompe, nous croyons que la diminution d’activité associée à la gestation est liée à une inhibition de la Na+/K+-ATPase par des stéroïdes cardiotoniques plutôt qu’à un effet des minéralocorticoïdes. L’augmention d’activité de la pompe liée au canrénoate s’accompagne d’une diminution de l’expression de la sous-unité α1, suggérant que la sous-unité α2 est responsable des variations de contractilité de l’aorte, puisque son expression n’est pas modifiée par le canrénoate. Les effets de la diminution de l’expression de la sous-unité α1, influencée par la signalisation du MR, restent à être déterminés. Néanmoins, nos résultats montrent que les modifications d’activité de la Na+/K+-ATPase influencent l’activité des canaux potassiques et que la pompe pourraient être un des éléments primordiaux dans le contrôle de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Comme le canrénoate modifie la réactivité vasculaire, nous voulions déterminer ses impacts sur la pression artérielle. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate (20 ou 60 mg/kg•jr) et les paramètres hémodynamiques ont été évalués par radiotélémétrie. Aucune modification de la pression artérielle, du rythme cardiaque et de la pression pulsée ne sont mesurées chez les rates recevant le traitement. Toutefois, des augmentations de l’osmolalité, des taux sériques d’aldostérone et de corticostérone ainsi que de l’activité rénine plasmatique sont observées chez les animaux recevant 60 mg/kg•jr. Le canrénoate bloque donc le rétrocontrôle du SRAA. Par contre, les MR ne sont pas les principaux responsables du contrôle de la pression artérielle durant la grossesse. En conclusion, nous avons démontré que le traitement des rates au canrénoate influence la réactivité vasculaire de l’aorte durant la gestation. Cet effet est causé par la modification de l’activité de certains canaux ioniques (VDCC, BKCa et KATP). De plus, le canrénoate renverse l’inhibition de la Na+/K+-ATPase observée durant la gestation. Finalement, les actions locales de cet antagoniste des MR sur les vaisseaux sanguins ne se répercutent pas sur l’effet systémique global et aucune modification de la pression artérielle n’est observée. D’autres études seront toutefois nécessaires pour déterminer les voies de signalisation par lesquelles l’aldostérone module les réponses des canaux ioniques dans les VSMC.

Couplage entre les régions IIS4S5 et IIIS6 lors de l’activation du canal calcique CaV3.2

Le canal calcique dépendant du voltage de type-T CaV3.2 joue un rôle important dans l’excitabilité neuronale et dans la perception de la douleur. Le canal CaV3.2 partage une grande homologie structurale et fonctionnelle avec les canaux NaV. Ces deux types de canaux sont activés par de faibles dépolarisations membranaires et possèdent des cinétiques de temps d’activation et d’inactivation plus rapides que les canaux CaV de type-L. Les structures cristallines à haute résolution des canaux bactériens NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) et NaVRh (Zhang et al. 2012) suggèrent que l’hélice amphiphile S4S5 du domaine II peut être couplée avec les résidus de l’hélice S6 dans le domaine II ainsi qu’avec des résidus de l’hélice homologue dans le domaine adjacent, soit le domaine III, et ce, durant l’activation du canal. Pour déterminer les résidus fonctionnellement couplés, durant l’activation du canal CaV3.2, une analyse cyclique de doubles mutants a été effectuée par substitution en glycine et alanine des résidus clés entre l’hélice S4S5 du domaine II et le segment S6 des domaines II et III. Les propriétés biophysiques ont été mesurées à l’aide de la technique de « cut-open » sur les ovocytes. Les énergies d’activation ont été mesurées pour 47 mutations ponctuelles et pour 14 paires de mutants. De grandes énergies de couplage (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) ont été observées pour 3 paires de mutants introduites dans les IIS4S5/IIS6 et IIS4S5/IIIS6. Aucun couplage significatif n’a été observé entre le IIS4S5 et le IVS6. Nos résultats semblent démontrer que les hélices S4S5 et S6 provenant de deux domaines voisins sont couplées durant l’activation du canal calcique de type-T CaV3.2.

Developmental emergence of different forms of neuromodulation in Aplysia sensory neurons

The capacity for neuromodulation and biophysical plasticity is a defining feature of most mature neuronal cell types. In several cases, modulation at the level of the individual neuron has been causally linked to changes in the functional output of a neuronal circuit and subsequent adaptive changes in the organism’s behavioral responses. Understanding how such capacity for neuromodulation develops therefore may provide insights into the mechanisms both of neuronal development and learning and memory. We have examined the development of multiple forms of neuromodulation triggered by a common neurotransmitter, serotonin, in the pleural sensory neurons of Aplysia californica. We have found that multiple signaling cascades within a single neuron develop sequentially, with some being expressed only very late in development. In addition, our data suggest a model in which, within a single neuromodulatory pathway, the elements of the signaling cascade are developmentally expressed in a “retrograde” manner with the ionic channel that is modulated appearing early in development, functional elements in the second messenger cascade appearing later, and finally, coupling of the second messenger cascade to the serotonin receptor appearing quite late. These studies provide the characterization of the development of neuromodulation at the level of an identified cell type and offer insights into the potential roles of neuromodulatory processes in development and adult plasticity.

Simulation of Brugada syndrome using cellular and three-dimensional whole-heart modeling approaches

Brugada syndrome (BS) is a genetic disease identified by an abnormal electrocardiogram ( ECG) ( mainly abnormal ECGs associated with right bundle branch block and ST-elevation in right precordial leads). BS can lead to increased risk of sudden cardiac death. Experimental studies on human ventricular myocardium with BS have been limited due to difficulties in obtaining data. Thus, the use of computer simulation is an important alternative. Most previous BS simulations were based on animal heart cell models. However, due to species differences, the use of human heart cell models, especially a model with three-dimensional whole-heart anatomical structure, is needed. In this study, we developed a model of the human ventricular action potential (AP) based on refining the ten Tusscher et al (2004 Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 286 H1573 - 89) model to incorporate newly available experimental data of some major ionic currents of human ventricular myocytes. These modified channels include the L-type calcium current (ICaL), fast sodium current (I-Na), transient outward potassium current (I-to), rapidly and slowly delayed rectifier potassium currents (I-Kr and I-Ks) and inward rectifier potassium current (I-Ki). Transmural heterogeneity of APs for epicardial, endocardial and mid-myocardial (M) cells was simulated by varying the maximum conductance of IKs and Ito. The modified AP models were then used to simulate the effects of BS on cellular AP and body surface potentials using a three-dimensional dynamic heart - torso model. Our main findings are as follows. (1) BS has little effect on the AP of endocardial or mid-myocardial cells, but has a large impact on the AP of epicardial cells. (2) A likely region of BS with abnormal cell AP is near the right ventricular outflow track, and the resulting ST-segment elevation is located in the median precordium area. These simulation results are consistent with experimental findings reported in the literature. The model can reproduce a variety of electrophysiological behaviors and provides a good basis for understanding the genesis of abnormal ECG under the condition of BS disease.

Use-dependent block of the voltage-gated Na+ channel by tetrodotoxin and saxitoxin: Effect of pore mutations that change ionic selectivity.

Voltage-gated Na(+) channels (NaV channels) are specifically blocked by guanidinium toxins such as tetrodotoxin (TTX) and saxitoxin (STX) with nanomolar to micromolar affinity depending on key amino acid substitutions in the outer vestibule of the channel that vary with NaV gene isoforms. All NaV channels that have been studied exhibit a use-dependent enhancement of TTX/STX affinity when the channel is stimulated with brief repetitive voltage depolarizations from a hyperpolarized starting voltage. Two models have been proposed to explain the mechanism of TTX/STX use dependence: a conformational mechanism and a trapped ion mechanism. In this study, we used selectivity filter mutations (K1237R, K1237A, and K1237H) of the rat muscle NaV1.4 channel that are known to alter ionic selectivity and Ca(2+) permeability to test the trapped ion mechanism, which attributes use-dependent enhancement of toxin affinity to electrostatic repulsion between the bound toxin and Ca(2+) or Na(+) ions trapped inside the channel vestibule in the closed state. Our results indicate that TTX/STX use dependence is not relieved by mutations that enhance Ca(2+) permeability, suggesting that ion-toxin repulsion is not the primary factor that determines use dependence. Evidence now favors the idea that TTX/STX use dependence arises from conformational coupling of the voltage sensor domain or domains with residues in the toxin-binding site that are also involved in slow inactivation.

A regenerative link in the ionic fluxes through the weaver potassium channel underlies the pathophysiology of the mutation

The homozygous weaver mouse displays neuronal degeneration in several brain regions. Previous experiments in heterologous expression systems showed that the G protein-gated inward rectifier K+ channel (GIRK2) bearing the weaver pore-region GYG-to-SYG mutation (i) is not activated by Gβγ subunits, but instead shows constitutive activation, and (ii) is no longer a K+-selective channel but conducts Na+ as well. The present experiments on weaverGIRK2 (wvGIRK2) expressed in Xenopus oocytes show that the level of constitutive activation depends on intracellular Na+ concentration. In particular, manipulations that decrease intracellular Na+ produce a component of Na+-permeable current activated via a G protein pathway. Therefore, constitutive activation may not arise because the weaver mutation directly alters the gating transitions of the channel protein. Instead, there may be a regenerative cycle of Na+ influx through the wvGIRK2 channel, leading to additional Na+ activation. We also show that the wvGIRK2 channel is permeable to Ca2+, providing an additional mechanism for the degeneration that characterizes the weaver phenotype. We further demonstrate that the GIRK4 channel bearing the analogous weaver mutation has properties similar to those of the wvGIRK2 channel, providing a glimpse of the selective pressures that have maintained the GYG sequence in nearly all known K+ channels.

Ionic selectivity of native ATP-activated (P2X) receptor channels in dissociated neurones from rat parasympathetic ganglia

1. The relative permeability of the native P2X receptor channel to monovalent and divalent inorganic and organic cations was determined from reversal potential measurements of ATP-evoked currents in parasympathetic neurones dissociated from rat submandibular ganglia using the dialysed whole-cell patch clamp technique. 2. The P2X receptor-channel exhibited weak selectivity among the alkali metals with a selectivity sequence of Na+ > Li+ > Cs+ > Rb+ > K+, and permeability ratios relative to Cs+ (P-X/P-Cs) ranging from 1. 11 to 0.86. 3. The selectivity for the divalent alkaline earth cations was also weak with the sequence Ca2+ > Sr2+ > Ba2+ > Mn2+ > Mg2+. ATP-evoked currents were strongly inhibited when the extracellular divalent cation concentration was increased. 4, The calculated permeability ratios of different ammonium cations are higher than those of the alkali metal cations. The permeability sequence obtained for the saturated organic cations is inversely correlated with the size of the cation. The unsaturated organic cations have a higher permeability than that predicted by molecular size. 5. Acidification to pH 6.2 increased the ATP-induced current amplitude twofold, whereas alkalization to 8.2 and 9.2 markedly reduced current amplitude. Cell dialysis with either anti-P2X(2) and/or anti-P2X(4) but not anti-P2X(1) antibodies attenuated the ATP-evoked current amplitude. Taken together, these data are consistent with homomeric and/or heteromeric P2X(2) and P2X(4) receptor subtypes expressed in rat submandibular neurones. 6. The permeability ratios for the series of monovalent organic cations, with the exception of unsaturated cations, were approximately related to the ionic size. The relative permeabilities of the monovalent inoganic and organic cations tested are similar to those reported previously for cloned rat P2X2 receptors expressed in mammalian cells.

A single point mutation in the pore region of the epithelial Na+ channel changes ion selectivity by modifying molecular sieving.

The epithelial Na+ channel (ENaC) belongs to a new class of channel proteins called the ENaC/DEG superfamily involved in epithelial Na+ transport, mechanotransduction, and neurotransmission. The role of ENaC in Na+ homeostasis and in the control of blood pressure has been demonstrated recently by the identification of mutations in ENaC beta and gamma subunits causing hypertension. The function of ENaC in Na+ reabsorption depends critically on its ability to discriminate between Na+ and other ions like K+ or Ca2+. ENaC is virtually impermeant to K+ ions, and the molecular basis for its high ionic selectivity is largely unknown. We have identified a conserved Ser residue in the second transmembrane domain of the ENaC alpha subunit (alphaS589), which when mutated allows larger ions such as K+, Rb+, Cs+, and divalent cations to pass through the channel. The relative ion permeability of each of the alphaS589 mutants is related inversely to the ionic radius of the permeant ion, indicating that alphaS589 mutations increase the molecular cutoff of the channel by modifying the pore geometry at the selectivity filter. Proper geometry of the pore is required to tightly accommodate Na+ and Li+ ions and to exclude larger cations. We provide evidence that ENaC discriminates between cations mainly on the basis of their size and the energy of dehydration.

Epithelial sodium channel/degenerin family of ion channels: a variety of functions for a shared structure.

The recently discovered epithelial sodium channel (ENaC)/degenerin (DEG) gene family encodes sodium channels involved in various cell functions in metazoans. Subfamilies found in invertebrates or mammals are functionally distinct. The degenerins in Caenorhabditis elegans participate in mechanotransduction in neuronal cells, FaNaC in snails is a ligand-gated channel activated by neuropeptides, and the Drosophila subfamily is expressed in gonads and neurons. In mammals, ENaC mediates Na+ transport in epithelia and is essential for sodium homeostasis. The ASIC genes encode proton-gated cation channels in both the central and peripheral nervous system that could be involved in pain transduction. This review summarizes the physiological roles of the different channels belonging to this family, their biophysical and pharmacological characteristics, and the emerging knowledge of their molecular structure. Although functionally different, the ENaC/DEG family members share functional domains that are involved in the control of channel activity and in the formation of the pore. The functional heterogeneity among the members of the ENaC/DEG channel family provides a unique opportunity to address the molecular basis of basic channel functions such as activation by ligands, mechanotransduction, ionic selectivity, or block by pharmacological ligands.

Skin secretion of Siphonops paulensis (Gymnophiona, Amphibia) forms voltage-dependent ionic channels in lipid membranes

The effect of the skin secretion of the amphibian Siphonops paulensis was investigated by monitoring the changes in conductance of an artificial planar lipid bilayer. Skin secretion was obtained by exposure of the animals to ether-saturated air, and then rinsing the animals with distilled water. Artificial lipid bilayers were obtained by spreading a solution of azolectin over an aperture of a Delrin cup inserted into a cut-away polyvinyl chloride block. In 9 of 12 experiments, the addition of the skin secretion to lipid bilayers displayed voltage-dependent channels with average unitary conductance of 258 ± 41.67 pS, rather than nonspecific changes in bilayer conductance. These channels were not sensitive to 4-acetamido-4'-isothiocyanatostilbene-2,2'-disulfonic acid or tetraethylammonium ion, but the experimental protocol used does not permit us to specify their characteristics.

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+.

The Role of MicroRNA Regulation of Cardiac Ion Channel in Arrhythmia

La fibrillation auriculaire (FA) est le trouble du rythme le plus fréquemment observé en pratique clinique. Elle constitue un risque important de morbi-mortalité. Le traitement de la FA reste un défi majeur en lien avec les nombreux effets secondaires associés aux approches thérapeutiques actuelles. Dans ce contexte, une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à la FA est essentielle pour le développement de nouvelles thérapies offrant un meilleur rapport bénéfice/risque pour les patients. La FA est caractérisée par i) un remodelage électrique délétère associé le plus souvent ii) à un remodelage structurel du myocarde favorisant la récurrence et le maintien de l’arythmie. La diminution de la période réfractaire effective au sein du tissu auriculaire est un élément clef du remodelage électrique. Le remodelage structurel, quant à lui, se manifeste principalement par une fibrose tissulaire qui altère la propagation de l’influx électrique dans les oreillettes. Les mécanismes moléculaires impliqués dans la mise en place de ces deux substrats restent mal connus. Récemment, le rôle des microARNs (miARNs) a été pointé du doigt dans de nombreuses pathologies notamment cardiaques. Dans ce contexte les objectifs principaux de ce travail ont été i) d'acquérir une compréhension approfondie du rôle des miARNs dans la régulation de l’expression des canaux ioniques et ii) de mieux comprendre le rôle de ces molécules dans l’installation d’un substrat favorable a la FA. Nous avons, dans un premier temps, effectué une analyse bio-informatique combinée à des approches expérimentales spécifiques afin d’identifier clairement les miARNs démontrant un fort potentiel de régulation des gènes codant pour l’expression des canaux ioniques cardiaques humains. Nous avons identifié un nombre limité de miARNs cardiaques qui possédaient ces propriétés. Sur la base de ces résultats, nous avons démontré que l’altération de l'expression des canaux ioniques, observée dans diverse maladies cardiaques (par exemple, les cardiomyopathies, l’ischémie myocardique, et la fibrillation auriculaire), peut être soumise à ces miARNs suggérant leur implication dans l’arythmogénèse. La régulation du courant potassique IK1 est un facteur déterminant du remodelage électrique auriculaire associée à la FA. Les mécanismes moléculaires sous-jacents sont peu connus. Nous avons émis l’hypothèse que l'altération de l’expression des miARNs soit corrélée à l’augmentation de l’expression d’IK1 dans la FA. Nous avons constaté que l’expression de miR-26 est réduite dans la FA et qu’elle régule IK1 en modulant l’expression de sa sous-unité Kir2.1. Nous avons démontré que miR-26 est sous la répression transcriptionnelle du facteur nucléaire des lymphocytes T activés (NFAT) et que l’activité accrue de NFATc3/c4, aboutit à une expression réduite de miR-26. En conséquence IK1 augmente lors de la FA. Nous avons enfin démontré que l’interférence in vivo de miR-26 influence la susceptibilité à la FA en régulant IK1, confirmant le rôle prépondérant de miR-26 dans le remodelage auriculaire électrique. La fibrose auriculaire est un constituant majeur du remodelage structurel associé à la FA, impliquant l'activation des fibroblastes et l’influx cellulaire du Ca2 +. Nous avons cherché à déterminer i) si le canal perméable au Ca2+, TRPC3, jouait un rôle dans la fibrose auriculaire en favorisant l'activation des fibroblastes et ii) étudié le rôle potentiel des miARNs dans ce contexte. Nous avons démontré que les canaux TRPC3 favorisent l’influx du Ca2 +, activant la signalisation Ca2 +-dépendante ERK et en conséquence activent la prolifération des fibroblastes. Nous avons également démontré que l’expression du TRPC3 est augmentée dans la FA et que le blocage in vivo de TRPC3 empêche le développement de substrats reliés à la FA. Nous avons par ailleurs validé que miR-26 régule les canaux TRPC3 en diminuant leur expression dans les fibroblastes. Enfin, nous avons montré que l'expression réduite du miR-26 est également due à l’activité augmentée de NFATc3/c4 dans les fibroblastes, expliquant ainsi l’augmentation de TRPC3 lors de la FA, confirmant la contribution de miR-26 dans le processus de remodelage structurel lié à la FA. En conclusion, nos résultats mettent en évidence l'importance des miARNs dans la régulation des canaux ioniques cardiaques. Notamment, miR-26 joue un rôle important dans le remodelage électrique et structurel associé à la FA et ce, en régulant IK1 et l’expression du canal TRPC3. Notre étude démasque ainsi un mécanisme moléculaire de contrôle de la FA innovateur associant des miARNs. miR-26 en particulier représente apres ces travaux une nouvelle cible thérapeutique prometteuse pour traiter la FA.