Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.

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.

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.

Untersuchungen zur Zell-Transistor-Kopplung mittels der Voltage-Clamp-Technik

Untersuchungen zur Zell-Transistor Kopplung mittels der Voltage-Clamp TechnikIn der vorliegenden Arbeit wird die extrazelluläre Einkopplung elektrischer Signale von Zellen in Transistoren hinsichtlich der an der Kopplung beteiligten Parameter untersucht. Dafür werden Zellen aus Primärkulturen und von Zell-Linien direkt auf den aktiven Sensorflächen der hergestellten Chips kultiviert. Für die Experimente werden n- und p-Kanal Feldeffekttransistoren (FET) sowie Extended-Gate-Elektroden (EGE) mit Gold- und Titanoberflächen entwickelt.Zur Untersuchung der Kopplungseigenschaften werden die neuronale Zell-Linie SH-SY5Y, die humane Endothel Zell-Linie EA.hy-926 sowie als Primärzellen hippocampale Neuronen und Kardiomyozyten embryonaler und neonataler Ratten eingesetzt. Die Voltage-Clamp Technik erlaubt die Untersuchung spannungsgesteuerter Ionenkanäle in der Zellmembran. Maßgebend für den Signalverlauf des extrazellulär eingekoppelten Signals ist der Ionenstrom von Na+, K+ und Ca2+ durch die Membran im Kontaktbereich zwischen Zelle und Sensor.Die Kopplung kann elektrisch mithilfe eines Ersatzschaltkreises beschrieben werden, der alle beteiligten elektrischen Größen der Membran und der Ionenströme, sowie die Parameter des Kontaktbereichs und des Sensors enthält.Die Simulation der extrazellulären Signale zeigt, dass die beobachteten Signalformen nur durch eine Erhöhung der Ionenkanaldichten und dadurch einer deutlich vergrößerten Leitfähigkeit der Ionenarten im Kontaktbereich gegenüber der freien Membran erklärt werden können.

Membrane transport mechanisms probed by capacitance measurements with megahertz voltage clamp.

We have used capacitance measurements with a 1-microsecond voltage clamp technique to probe electrogenic ion-transporter interactions in giant excised membrane patches. The hydrophobic ion dipicrylamine was used to test model predictions for a simple charge-moving reaction. The voltage and frequency dependencies of the apparent dipicrylamine-induced capacitance, monitored by 1-mV sinusoidal perturbations, correspond to single charges moving across 76% of the membrane field at a rate of 9500 s-1 at 0 mV. For the cardiac Na,K pump, the combined presence of cytoplasmic ATP and sodium induces an increase of apparent membrane capacitance which requires the presence of extracellular sodium. The dependencies of capacitance changes on frequency, voltage, ATP, and sodium verify that phosphorylation enables a slow, 300- to 900-s-1, pump transition (the E1-E2 conformational change), which in turn enables fast, electrogenic, extracellular sodium binding reactions. For the GAT1 (gamma-aminobutyric acid,Na,Cl) cotransporter, expressed in Xenopus oocyte membrane, we find that chloride binding from the cytoplasmic side, and probably sodium binding from the extracellular side, results in a decrease of membrane capacitance monitored with 1- to 50-kHz perturbation frequencies. Evidently, ion binding by the GAT1 transporter suppresses an intrinsic fast charge movement which may originate from a mobility of charged residues of the transporter binding sites. The results demonstrate that fast capacitance measurements can provide new insight into electrogenic processes closely associated with ion binding by membrane transporters.

Protonation controls ASIC1a activity via coordinated movements in multiple domains.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+)-conducting channels activated by extracellular acidification. ASICs are involved in pain sensation, expression of fear, and neurodegeneration after ischemic stroke. Functional ASICs are composed of three identical or homologous subunits, whose extracellular part has a handlike structure. Currently, it is unclear how protonation of residues in extracellular domains controls ASIC activity. Knowledge of these mechanisms would allow a rational development of drugs acting on ASICs. Protonation may induce conformational changes that control the position of the channel gate. We used voltage-clamp fluorometry with fluorophores attached to residues in different domains of ASIC1a to detect conformational changes. Comparison of the timing of fluorescence and current signals identified residues involved in movements that preceded desensitization and may therefore be associated with channel opening or early steps leading to desensitization. Other residues participated in movements intimately linked to desensitization and recovery from desensitization. Fluorescence signals of all mutants were detected at more alkaline pH than ionic currents. Their midpoint of pH dependence was close to that of steady-state desensitization, whereas the steepness of the pH fluorescence relationship was closer to that of current activation. A sequence of movements was observed upon acidification, and its backward movements during recovery from desensitization occurred in the reverse order, indicating that the individual steps are interdependent. Furthermore, the fluorescence signal of some labeled residues in the finger domain was strongly quenched by a Trp residue in the neighboring β-ball domain. Upon channel activation, their fluorescence intensity increased, indicating that the finger moved away from the β ball. This extensive analysis of activity-dependent conformational changes in ASICs sheds new light on the mechanisms by which protonation controls ASIC activity.

Extracellular Subunit Interactions Control Transitions between Functional States of Acid-sensing Ion Channel 1a.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal, voltage-independent Na(+) channels that are transiently activated by extracellular acidification. They are involved in pain sensation, the expression of fear, and in neurodegeneration after ischemic stroke. Our study investigates the role of extracellular subunit interactions in ASIC1a function. We identified two regions involved in critical intersubunit interactions. First, formation of an engineered disulfide bond between the palm and thumb domains leads to partial channel closure. Second, linking Glu-235 of a finger loop to either one of two different residues of the knuckle of a neighboring subunit opens the channel at physiological pH or disrupts its activity. This suggests that one finger-knuckle disulfide bond (E235C/K393C) sets the channel in an open state, whereas the other (E235C/Y389C) switches the channel to a non-conducting state. Voltage-clamp fluorometry experiments indicate that both the finger loop and the knuckle move away from the β-ball residue Trp-233 during acidification and subsequent desensitization. Together, these observations reveal that ASIC1a opening is accompanied by a distance increase between adjacent thumb and palm domains as well as a movement of Glu-235 relative to the knuckle helix. Our study identifies subunit interactions in the extracellular loop and shows that dynamic changes of these interactions are critical for normal ASIC function.

A unique role for Kv3 voltage-gated potassium channels in starburst amacrine cell signaling in mouse retina

Direction-selective retinal ganglion cells show an increased activity evoked by light stimuli moving in the preferred direction. This selectivity is governed by direction-selective inhibition from starburst amacrine cells occurring during stimulus movement in the opposite or null direction. To understand the intrinsic membrane properties of starburst cells responsible for direction-selective GABA release, we performed whole-cell recordings from starburst cells in mouse retina. Voltage-clamp recordings revealed prominent voltage-dependent K+ currents. The currents were mostly blocked by 1 mm TEA, activated rapidly at voltages more positive than -20 mV, and deactivated quickly, properties reminiscent of the currents carried by the Kv3 subfamily of K+ channels. Immunoblots confirmed the presence of Kv3.1 and Kv3.2 proteins in retina and immunohistochemistry revealed their expression in starburst cell somata and dendrites. The Kv3-like current in starburst cells was absent in Kv3.1-Kv3.2 knock-out mice. Current-clamp recordings showed that the fast activation of the Kv3 channels provides a voltage-dependent shunt that limits depolarization of the soma to potentials more positive than -20 mV. This provides a mechanism likely to contribute to the electrical isolation of individual starburst cell dendrites, a property thought essential for direction selectivity. This function of Kv3 channels differs from that in other neurons where they facilitate high-frequency repetitive firing. Moreover, we found a gradient in the intensity of Kv3.1b immunolabeling favoring proximal regions of starburst cells. We hypothesize that this Kv3 channel gradient contributes to the preference for centrifugal signal flow in dendrites underlying direction-selective GABA release from starburst amacrine cells.

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 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.

Robotic multiwell planar patch-clamp for native and primary mammalian cells

Robotic multiwell planar patch-clamp has become common in drug development and safety programs because it enables efficient and systematic testing of compounds against ion channels during voltage-clamp. It has not, however, been adopted significantly in other important areas of ion channel research, where conventional patch-clamp remains the favored method. Here, we show the wider potential of the multiwell approach with the ability for efficient intracellular solution exchange, describing protocols and success rates for recording from a range of native and primary mammalian cells derived from blood vessels, arthritic joints and the immune and central nervous systems. The protocol involves preparing a suspension of single cells to be dispensed robotically into 4-8 microfluidic chambers each containing a glass chip with a small aperture. Under automated control, giga-seals and whole-cell access are achieved followed by preprogrammed routines of voltage paradigms and fast extracellular or intracellular solution exchange. Recording from 48 chambers usually takes 1-6 h depending on the experimental design and yields 16-33 cell recordings.

Voltage-gated potassium currents within the dorsal vagal nucleus: inhibition by BDS toxin

Voltage-gated potassium (Kv) channels are essential components of neuronal excitability. The Kv3.4 channel protein is widely distributed throughout the central nervous system (CNS), where it can form heteromeric or homomeric Kv3 channels. Electrophysiological studies reported here highlight a functional role for this channel protein within neurons of the dorsal vagal nucleus (DVN). Current clamp experiments revealed that blood depressing substance (BDS) and intracellular dialysis of an anti-Kv3.4 antibody prolonged the action potential duration. In addition, a BDS sensitive, voltage-dependent, slowly inactivating outward current was observed in voltage clamp recordings from DVN neurons. Electrical stimulation of the solitary tract evoked EPSPs and IPSPs in DVN neurons and BDS increased the average amplitude and decreased the paired pulse ratio, consistent with a presynaptic site of action. This presynaptic modulation was action potential dependent as revealed by ongoing synaptic activity. Given the role of the Kv3 proteins in shaping neuronal excitability, these data highlight a role for homomeric Kv3.4 channels in spike timing and neurotransmitter release in low frequency firing neurons of the DVN.

Membrane voltage initiates Ca2+ waves and potentiates Ca2+ increases with abscisic acid in stomatal guard cells

In higher plants changes and oscillations in cytosolic free Ca2+ concentration ([Ca2+]i) are central to hormonal physiology, including that of abscisic acid (ABA), which signals conditions of water stress and alters ion channel activities in guard cells of higher-plant leaves. Such changes in [Ca2+]i are thought to encode for cellular responses to different stimuli, but their origins and functions are poorly understood. Because transients and oscillations in membrane voltage also occur in guard cells and are elicited by hormones, including ABA, we suspected a coupling of [Ca2+]i to voltage and its interaction with ABA. We recorded [Ca2+]i by Fura2 fluorescence ratio imaging and photometry while bringing membrane voltage under experimental control with a two-electrode voltage clamp in intact Vicia guard cells. Free-running oscillations between voltages near −50 mV and −200 mV were associated with oscillations in [Ca2+]i, and, under voltage clamp, equivalent membrane hyperpolarizations caused [Ca2+]i to increase, often in excess of 1 μM, from resting values near 100 nM. Image analysis showed that the voltage stimulus evoked a wave of high [Ca2+]i that spread centripetally from the peripheral cytoplasm within 5–10 s and relaxed over 40–60 s thereafter. The [Ca2+]i increases showed a voltage threshold near −120 mV and were sensitive to external Ca2+ concentration. Substituting Mn2+ for Ca2+ to quench Fura2 fluorescence showed that membrane hyperpolarization triggered a divalent influx. ABA affected the voltage threshold for the [Ca2+]i rise, its amplitude, and its duration. In turn, membrane voltage determined the ability of ABA to raise [Ca2+]i. These results demonstrate a capacity for voltage to evoke [Ca2+]i increases, they point to a dual interaction with ABA in triggering and propagating [Ca2+]i increases, and they implicate a role for voltage in “conditioning” [Ca2+]i signals that regulate ion channels for stomatal function.

Changes in voltage activation, Cs+ sensitivity, and ion permeability in H5 mutants of the plant K+ channel KAT1.

KAT1 is a voltage-dependent inward rectifying K+ channel cloned from the higher plant Arabidopsis thaliana [Anderson, J. A., Huprikar, S. S., Kochian, L. V., Lucas, W. J. & Gaber, R. F. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 3736-3740]. It is related to the Shaker superfamily of K+ channels characterized by six transmembrane spanning domains (S1-S6) and a putative pore-forming region between S5 and S6 (H5). The 115 region between Pro-247 and Pro-271 in KAT1 contains 14 additional amino acids when compared with Shaker [Aldrich, R. W. (1993) Nature (London) 362, 107-108]. We studied various point mutations introduced into H5 to determine whether voltage-dependent plant and animal K+ channels share similar pore structures. Through heterologous expression in Xenopus oocytes and voltage-clamp analysis combined with phenotypic analysis involving a potassium transport-defective Saccharomyces cerevisiae strain, we investigated the selectivity filter of the mutants and their susceptibility toward inhibition by cesium and calcium ions. With respect to electrophysiological properties, KAT1 mutants segregated into three groups: (i) wild-type-like channels, (ii) channels modified in selectivity and Cs+ or Ca2+ sensitivity, and (iii) a group that was additionally affected in its voltage dependence. Despite the additional 14 amino acids in H5, this motif in KAT1 is also involved in the formation of the ion-conducting pore because amino acid substitutions at Leu-251, Thr-256, Thr-259, and Thr-260 resulted in functional channels with modified ionic selectivity and inhibition. Creation of Ca2+ sensitivity and an increased susceptibility to Cs+ block through mutations within the narrow pore might indicate that both blockers move deeply into the channel. Furthermore, mutations close to the rim of the pore affecting the half-activation potential (U1/2) indicate that amino acids within the pore either interact with the voltage sensor or ion permeation feeds back on gating.