Étude moléculaire des mécanismes d’action de potentiateurs du canal CFTR sur le canal KCa3.1

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces.

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+.

Modulation of endothelial cell KCa3.1 Channels during endothelium-derived hyperpolarizing factor signaling in mesenteric resistance arteries

Arterial hyperpolarization to acetylcholine (ACh) reflects coactivation of KCa3.1 (IKCa) channels and KCa2.3 (SKCa) channels in the endothelium that transfers through myoendothelial gap junctions and diffusible factor(s) to affect smooth muscle relaxation (endothelium-derived hyperpolarizing factor [EDHF] response). However, ACh can differentially activate KCa3.1 and KCa2.3 channels, and we investigated the mechanisms responsible in rat mesenteric arteries. KCa3.1 channel input to EDHF hyperpolarization was enhanced by reducing external [Ca2+]o but blocked either with forskolin to activate protein kinase A or by limiting smooth muscle [Ca2+]i increases stimulated by phenylephrine depolarization. Imaging [Ca2+]i within the endothelial cell projections forming myoendothelial gap junctions revealed increases in cytoplasmic [Ca2+]i during endothelial stimulation with ACh that were unaffected by simultaneous increases in muscle [Ca2+]i evoked by phenylephrine. If gap junctions were uncoupled, KCa3.1 channels became the predominant input to EDHF hyperpolarization, and relaxation was inhibited with ouabain, implicating a crucial link through Na+/K+-ATPase. There was no evidence for an equivalent link through KCa2.3 channels nor between these channels and the putative EDHF pathway involving natriuretic peptide receptor-C. Reconstruction of confocal z-stack images from pressurized arteries revealed KCa2.3 immunostain at endothelial cell borders, including endothelial cell projections, whereas KCa3.1 channels and Na+/K+-ATPase {alpha}2/{alpha}3 subunits were highly concentrated in endothelial cell projections and adjacent to myoendothelial gap junctions. Thus, extracellular [Ca2+]o appears to modify KCa3.1 channel activity through a protein kinase A-dependent mechanism independent of changes in endothelial [Ca2+]i. The resulting hyperpolarization links to arterial relaxation largely through Na+/K+-ATPase, possibly reflecting K+ acting as an EDHF. In contrast, KCa2.3 hyperpolarization appears mainly to affect relaxation through myoendothelial gap junctions. Overall, these data suggest that K+ and myoendothelial coupling evoke EDHF-mediated relaxation through distinct, definable pathways.

Local delivery of the KCa3.1 blocker, TRAM-34, prevents acute angioplasty-induced coronary smooth muscle phenotypic modulation and limits stenosis

Objective-We previously demonstrated that upregulation of intermediate-conductance Ca2+ -activated K+ channels (KCa 3.1) is necessary for mitogen-induced phenotypic modulation in isolated porcine coronary smooth muscle cells (SMCs). The objective of the present study was to determine the role of KCa3.1 in the regulation of coronary SMC phenotypic modulation in vivo using a swine model of postangioplasty restenosis. Methods and Results-Balloon angioplasty was performed on coronary arteries of swine using either noncoated or balloons coated with the specific KCa3.1 blocker TRAM-34. Expression of KCa3.1, c-jun, c-fos, repressor element-1 silencing transcription factor (REST), smooth muscle myosin heavy chain (SMMHC), and myocardin was measured using qRT-PCR in isolated medial cells 2 hours and 2 days postangioplasty. KCa3.1, c-jun, and c-fos mRNA levels were increased 2 hours postangioplasty, whereas REST expression decreased. SMMHC expression was unchanged at 2 hours, but decreased 2 days postangioplasty. Use of TRAM-34 coated balloons prevented KCa3.1 upregulation and REST downregulation at 2 hours, SMMHC and myocardin downregulation at 2 days, and attenuated subsequent restenosis 14 and 28 days postangioplasty. Immunohistochemical analysis demonstrated corresponding changes at the protein level. Conclusion-Blockade of KCa3.1 by delivery of TRAM-34 via balloon catheter prevented smooth muscle phenotypic modulation and limited subsequent restenosis. © 2008 American Heart Association, Inc.

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.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.

Evidence both L-type and non-L-type voltage-dependent calcium channels contribute to cerebral artery vasospasm following loss of NO in the rat

We recently found block of NO synthase in rat middle cerebral artery caused spasm, associated with depolarizing oscillations in membrane potential (Em) similar in form but faster in frequency (circa 1 Hz) to vasomotion. T-type voltage-gated Ca2+ channels contribute to cerebral myogenic tone and vasomotion, so we investigated the significance of T-type and other ion channels for membrane potential oscillations underlying arterial spasm. Smooth muscle cell membrane potential (Em) and tension were measured simultaneously in rat middle cerebral artery. NO synthase blockade caused temporally coupled depolarizing oscillations in cerebrovascular Em with associated vasoconstriction. Both events were accentuated by block of smooth muscle BKCa. Block of T-type channels or inhibition of Na+/K+-ATPase abolished the oscillations in Em and reduced vasoconstriction. Oscillations in Em were either attenuated or accentuated by reducing [Ca2+]o or block of KV, respectively. TRAM-34 attenuated oscillations in both Em and tone, apparently independent of effects against KCa3.1. Thus, rapid depolarizing oscillations in Em and tone observed after endothelial function has been disrupted reflect input from T-type calcium channels in addition to L-type channels, while other depolarizing currents appear to be unimportant. These data suggest that combined block of T and L-type channels may represent an effective approach to reverse cerebral vasospasm.

Regulation of KCa2.3 andendothelium-dependent hyperpolarization (EDH) in the rat middle cerebral artery: the role of lipoxygenase metabolites and isoprostanes

Background and Purpose. In rat middle cerebral arteries, endothelium-dependent hyperpolarization (EDH) is mediated by activation of calcium-activated potassium(KCa) channels specifically KCa2.3 and KCa3.1. Lipoxygenase (LOX) products function as endothelium-derived hyperpolarizing factors (EDHFs) in rabbit arteries by stimulating KCa2.3. We investigated if LOX products contribute to EDH in rat cerebral arteries. Methods. Arachidonic acid (AA) metabolites produced in middle cerebral arteries were measured using HPLC and LC/MS. Vascular tension and membrane potential responses to SLIGRL were simultaneously recorded using wire myography and intracellular microelectrodes. Results. SLIGRL, an agonist at PAR2 receptors, caused EDH that was inhibited by a combination of KCa2.3 and KCa3.1 blockade. Non-selective LOX-inhibition reduced EDH, whereas inhibition of 12-LOX had no effect. Soluble epoxide hydrolase (sEH) inhibition enhanced the KCa2.3 component of EDH. Following NO synthase (NOS) inhibition, the KCa2.3 component of EDH was absent. Using HPLC, middle cerebral arteries metabolized 14C-AA to 15- and 12-LOX products under control conditions. With NOS inhibition, there was little change in LOX metabolites, but increased F-type isoprostanes. 8-iso-PGF2α inhibited the KCa2.3 component of EDH. Conclusions. LOX metabolites mediate EDH in rat middle cerebral arteries. Inhibition of sEH increases the KCa2.3 component of EDH. Following NOS inhibition,loss of KCa2.3 function is independent of changes in LOX production or sEH inhibition but due to increased isoprostane production and subsequent stimulation of TP receptors. These findings have important implications in diseases associated with loss of NO signaling such as stroke; where inhibition of sEH and/or isoprostane formation may of benefit.