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.

The ionic exclusion-enrichment in a hybrid micro-/nano-channel

An ionic exclusion-enrichment phenomenon has been found at the ends of a nano-channel when electric-driven fluid passes through a micro-/nano-hybrid channel [1-3]. In our experiments, the hybrid channels are fabricated with two poly-dimethysiloxane (PDMS) monoliths microchannels (100um X20um X 9mm) and a nanoporous polycarbonate nuclear track-etched (PCTE) membrane (with 50nm pores). The flows are driven under different electrical potential and the test liquids with different PH values are used. The ion depletion in the source channel is observed by the MicroPIV system. In addition, the numerical simulations about ionic exclusion-enrichment in the hybrid channel are carried out. Some results are as followed:

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.

MODELING AND SIMULATION OF HYDRODYNAMIC INTERACTION OF DNA IN A MICRO-FLUIDIC CHANNEL

The motion of DNA (in the bulk solution) and the non-Newtonian effective fluid behavior are considered separately and self-consistently with the fluid motion satisfying the no-slip boundary condition on the surface of the confining geometry in the presence of channel pressure gradients. A different approach has been developed to model DNA in the micro-channel. In this study the DNA is assumed as an elastic chain with its characteristic Young's modulus, Poisson's ratio and density. The force which results from the fluid dynamic pressure, viscous forces and electromotive forces is applied to the elastic chain in a coupled manner. The velocity fields in the micro-channel are influenced by the transport properties. Simulations are carried out for the DNAs attached to the micro-fluidic wall. Numerical solutions based on a coupled multiphysics finite element scheme are presented. The modeling scheme is derived based on mass conservation including biomolecular mass, momentum balance including stress due to Coulomb force field and DNA-fluid interaction, and charge transport associated to DNA and other ionic complexes in the fluid. Variation in the velocity field for the non-Newtonian flow and the deformation of the DNA strand which results from the fluid-structure interaction are first studied considering a single DNA strand. Motion of the effective center of mass is analyzed considering various straight and coil geometries. Effects of DNA statistical parameters (geometry and spatial distribution of DNAs along the channel) on the effective flow behavior are analyzed. In particular, the dynamics of different DNA physical properties such as radius of gyration, end-to-end length etc. which are obtained from various different models (Kratky-Porod, Gaussian bead-spring etc.) are correlated to the nature of interaction and physical properties under the same background fluid environment.

A Histidine Aspartate Ionic Lock Gates the Iron Passage in Miniferritins from Mycobacterium smegmatis

Background: DNA-binding protein from starved cells (Dps) are nano-compartments that can oxidize and store iron rendering protection from free radicals. Results: A histidine-aspartate ionic cluster in mycobaterial Dps2 modulates the rate of iron entry and exit in these proteins. Conclusion: Substitutions that disrupt the cluster interface alter the iron uptake/release properties with localized structural changes. Significance: Identifying important gating residues can help in designing nano-delivery vehicles. Dps (DNA-binding protein from starved cells) are dodecameric assemblies belonging to the ferritin family that can bind DNA, carry out ferroxidation, and store iron in their shells. The ferritin-like trimeric pore harbors the channel for the entry and exit of iron. By representing the structure of Dps as a network we have identified a charge-driven interface formed by a histidine aspartate cluster at the pore interface unique to Mycobacterium smegmatis Dps protein, MsDps2. Site-directed mutagenesis was employed to generate mutants to disrupt the charged interactions. Kinetics of iron uptake/release of the wild type and mutants were compared. Crystal structures were solved at a resolution of 1.8-2.2 for the various mutants to compare structural alterations vis a vis the wild type protein. The substitutions at the pore interface resulted in alterations in the side chain conformations leading to an overall weakening of the interface network, especially in cases of substitutions that alter the charge at the pore interface. Contrary to earlier findings where conserved aspartate residues were found crucial for iron release, we propose here that in the case of MsDps2, it is the interplay of negative-positive potentials at the pore that enables proper functioning of the protein. In similar studies in ferritins, negative and positive patches near the iron exit pore were found to be important in iron uptake/release kinetics. The unique ionic cluster in MsDps2 makes it a suitable candidate to act as nano-delivery vehicle, as these gated pores can be manipulated to exhibit conformations allowing for slow or fast rates of iron release.

The ionic basis of frequency selectivity in hair cells of the bullfrog's sacculus

Hair cells from the bull frog's sacculus, a vestibular organ responding to substrate-borne vibration, possess electrically resonant membrane properties which maximize the sensitivity of each cell to a particular frequency of mechanical input. The electrical resonance of these cells and its underlying ionic basis were studied by applying gigohm-seal recording techniques to solitary hair cells enzymatically dissociated from the sacculus. The contribution of electrical resonance to frequency selectivity was assessed from microelectrode recordings from hair cells in an excised preparation of the sacculus.

Electrical resonance in the hair cell is demonstrated by damped membrane-potential oscillations in response to extrinsic current pulses applied through the recording pipette. This response is analyzed as that of a damped harmonic oscillator. Oscillation frequency rises with membrane depolarization, from 80-160 Hz at resting potential to asymptotic values of 200-250 Hz. The sharpness of electrical tuning, denoted by the electrical quality factor, Q_e, is a bell-shaped function of membrane voltage, reaching a maximum value around eight at a membrane potential slightly positive to the resting potential.

In whole cells, three time-variant ionic currents are activated at voltages more positive than -60 to -50 mV; these are identified as a voltage-dependent, non-inactivating Ca current (I_ca), a voltage-dependent, transient K current (I_a), and a Ca-dependent K current (I_c). The C channel is identified in excised, inside-out membrane patches on the basis of its large conductance (130-200 pS), its selective permeability to Kover Na or Cl, and its activation by internal Ca ions and membrane depolarization. Analysis of open- and closed-lifetime distributions suggests that the C channel can assume at least two open and three closed kinetic states.

Exposing hair cells to external solutions that inhibit the Ca or C conductances degrades the electrical resonance properties measured under current-clamp conditions, while blocking the A conductance has no significant effect, providing evidence that only the Ca and C conductances participate in the resonance mechanism. To test the sufficiency of these two conductances to account for electrical resonance, a mathematical model is developed that describes I_ca, I_c, and intracellular Ca concentration during voltage-clamp steps. I_ca activation is approximated by a third-order Hodgkin-Huxley kinetic scheme. Ca entering the cell is assumed to be confined to a small submembrane compartment which contains an excess of Ca buffer; Ca leaves this space with first-order kinetics. The Ca- and voltage-dependent activation of C channels is described by a five-state kinetic scheme suggested by the results of single-channel observations. Parameter values in the model are adjusted to fit the waveforms of I_ca and I_c evoked by a series of voltage-clamp steps in a single cell. Having been thus constrained, the model correctly predicts the character of voltage oscillations produced by current-clamp steps, including the dependencies of oscillation frequency and Q_e on membrane voltage. The model shows quantitatively how the Ca and C conductances interact, via changes in intracellular Ca concentration, to produce electrical resonance in a vertebrate hair cell.

Flow patterns and pressure drop of ionic liquid-water two-phase flows in microchannels

The two-phase flow of a hydrophobic ionic liquid and water was studied in capillaries made of three different materials (two types of Teflon, FEP and Tefzel, and glass) with sizes between 200µm and 270µm. The ionic liquid was 1-butyl-3-methylimidazolium bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}amide, with density and viscosity of 1420kgm and 0.041kgms, respectively. Flow patterns and pressure drop were measured for two inlet configurations (T- and Y-junction), for total flow rates of 0.065-214.9cmh and ionic liquid volume fractions from 0.05 to 0.8. The continuous phase in the glass capillary depended on the fluid that initially filled the channel. When water was introduced first, it became the continuous phase with the ionic liquid forming plugs or a mixture of plugs and drops within it. In the Teflon microchannels, the order that fluids were introduced did not affect the results and the ionic liquid was always the continuous phase. The main patterns observed were annular, plug, and drop flow. Pressure drop in the Teflon microchannels at a constant ionic liquid flow rate, was found to increase as the ionic liquid volume fraction decreased, and was always higher than the single phase ionic liquid value at the same flow rate as in the two-phase mixture. However, in the glass microchannel during plug flow with water as the continuous phase, pressure drop for a constant ionic liquid flow rate was always lower than the single phase ionic liquid value. A modified plug flow pressure drop model using a correlation for film thickness derived for the current fluids pair showed very good agreement with the experimental data. © 2013 Elsevier Ltd.

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.

Analysis of ion channel stochastic signals for biosensing

In biological world, life of cells is guaranteed by their ability to sense and to respond to a large variety of internal and external stimuli. In particular, excitable cells, like muscle or nerve cells, produce quick depolarizations in response to electrical, mechanical or chemical stimuli: this means that they can change their internal potential through a quick exchange of ions between cytoplasm and the external environment. This can be done thanks to the presence of ion channels, proteins that span the lipid bilayer and act like switches, allowing ionic current to flow opening and shutting in a stochastic way. For a particular class of ion channels, ligand-gated ion channels, the gating processes is strongly influenced by binding between receptive sites located on the channel surface and specific target molecules. These channels, inserted in biomimetic membranes and in presence of a proper electronic system for acquiring and elaborating the electrical signal, could give us the possibility of detecting and quantifying concentrations of specific molecules in complex mixtures from ionic currents across the membrane; in this thesis work, this possibility is investigated. In particular, it reports a description of experiments focused on the creation and the characterization of artificial lipid membranes, the reconstitution of ion channels and the analysis of their electrical and statistical properties. Moreover, after a chapter about the basis of the modelling of the kinetic behaviour of ligand gated ion channels, a possible approach for the estimation of the target molecule concentration, based on a statistical analysis of the ion channel open probability, is proposed. The fifth chapter contains a description of the kinetic characterisation of a ligand gated ion channel: the homomeric α2 isoform of the glycine receptor. It involved both experimental acquisitions and signal analysis. The last chapter represents the conclusions of this thesis, with some remark on the effective performance that may be achieved using ligand gated ion channels as sensing elements.