Yes / Ca2+ release from the Golgi apparatus regulates key functions of the organelle, including vesicle trafficking. However, the signaling pathways that control this form of Ca2+ release are poorly understood and evidence of discrete Golgi Ca2+ release events is lacking. Here, we identified the Golgi apparatus as the source of prolonged Ca2+ release events that originate from the nuclear ‘poles’ of primary cardiac cells. Once initiated, Golgi Ca2+ release was unaffected by global depletion of sarcoplasmic reticulum Ca2+, and disruption of the Golgi apparatus abolished Golgi Ca2+ release without affecting sarcoplasmic reticulum function, suggesting functional and anatomical independence of Golgi and sarcoplasmic reticulum Ca2+ stores. Maximal activation of β1-adrenoceptors had only a small stimulating effect on Golgi Ca2+ release. However, inhibition of phosphodiesterase (PDE) 3 or 4, or downregulation of PDE 3 and 4 in heart failure markedly potentiated β1-adrenergic stimulation of Golgi Ca2+ release, consistent with compartmentalization of cAMP signaling within the Golgi apparatus microenvironment. β1-adrenergic stimulation of Golgi Ca2+ release involved activation of both Epac and PKA signaling pathways and CaMKII. Interventions that stimulated Golgi Ca2+ release induced trafficking of vascular growth factor receptor-1 (VEGFR-1) from the Golgi apparatus to the surface membrane. These data establish the Golgi apparatus as a juxtanuclear focal point for Ca2+ and β1-adrenergic signaling, which functions independently from the sarcoplasmic reticulum and the global Ca2+ transients that underlie the primary contractile function of the cell.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Dans une situation d'apprentissage, il a été proposé que les neurones recrutés et les synapses activées pour accomplir cet exercice mental se modifient afin de laisser, à l'échelle cellulaire, une trace mnésique. Les récents et nombreux travaux de recherche en neurobiologie de la mémoire ont permis de confirmer l'existence potentielle d'une partie de ces processus cognitifs hypothétiques. Entre autres, il a été démontré que les changements neuronaux survenant lors de divers phénomènes de modulation de la fonction synaptique (plasticité synaptique) seraient, en partie, le résultat d'une modification des propriétés des récepteurs glutamatergiques de type AMPA (a-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionate) par des processus enzymatiques dépendants de l'ion calcium (Ca2+). Cependant, la caractérisation des effets de plusieurs conditions (pathologies, comparaisons interespèces, modifications génétiques) sur les capacités mnésiques des sujets expérimentaux et sur les phénomènes de plasticité synaptique observés dans leur cerveau a été et est encore principalement effectuée par l'utilisation de souris, tandis que les données sur les propriétés de liaison des récepteurs AMPA sont, dans l'ensemble, tirées d'expériences effectuées avec des rats. Par conséquent, la caractérisation des mécanismes de régulation des propriétés de liaison des récepteurs AMP A chez la souris s'avère nécessaire afin de faciliter et d'approfondir la compréhension des processus cellulaires impliqués dans l'expression des différentes formes de plasticité synaptique associées aux circuits neuronaux glutamatergiques. Durant mes travaux de maîtrise, des analyses qualitatives et quantitatives de la liaison de ligands tritiés sur des coupes de cerveaux congelés de différentes souches de souris ont été effectuées afin de déterminer comment l'exposition de ces coupes à des ions calcium (traitement calcique) est en mesure de modifier les propriétés de liaison des récepteurs glutamatergiques AMP A. Les résultats obtenus avec la souche B6C3Fl montrent que le Ca2+ a des effets sur les propriétés de liaison de ces récepteurs qui sont différents d'une région cérébrale à l'autre : la liaison est augmentée dans l'hippocampe, diminuée dans le cortex et le striatum, et inchangée dans le thalamus. De plus, ces effets semblent spécifiques aux récepteurs AMPA puisque le traitement calcique des coupes de cerveau n'a pas induit de changements de la liaison de ligands tritiés aux récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate), un autre type de récepteurs glutamatergiques. L'analyse de courbes de saturation de la liaison de l' AMPA tritié a révélé que la hausse de la liaison induite par le Ca2+ dans la région CA1 radiatum de l'hippocampe est due à un changement dans le nombre maximal de sites de liaison (Bmax), alors que la baisse de la liaison observée dans le cortex et induite par le Ca2+ semble être le résultat d'une diminution de l'affinité (exprimée par le Kt) des récepteurs AMPA envers le ligand. Cette régulation calcique à la baisse de l'affinité des récepteurs AMP A dans le cortex et le striatum semble impliquer l'activation de la phospholipase A2 et de la voie lipoxygénase du métabolisme de l'acide arachidonique puisqu'elle est bloquée par des inhibiteurs de ces systèmes enzymatiques.

La plasticité synaptique, qui permet l'apprentissage et la mémoire, s'exprime par des changements dans la force de transmission de signal passant par les neurotransmetteurs. La modulation de la quantité de récepteurs au glutamate de type « AMPA » disponibles dans le compartiment post-synaptique est un des moyens que possède le neurone pyramidal de modifier sa réponse à un stimulus. Les mécanismes régissant ce mécanisme de plasticité ne sont pas très bien compris, mais nous savons toutefois que l'enzyme CaMKII joue un rôle important à plusieurs niveaux dans le processus. Par exemple, la CaMKII joue un rôle dans l'immobilisation des récepteurs AMPA dans les synapses de neurones de l'hippocampe en culture, suite à un protocole (appelé « cLTP) qui mène à la Potentialisation à Long Terme de ces synapses et à l'augmentation de leur contenu en récepteurs AMPA. J'ai testé l'hypothèse que la CaMKII contribue également à augmenter le niveau d'expression membranaire des récepteurs AMPA dans les neurones. Pour ce faire, j'ai procédé à des mesures d'imagerie optique de la livraison des récepteurs AMPA à la membrane plasmique par un processus d'exocytose des réserves intracellulaires du récepteur. Cette mesure exploite la microscopie vidéo à fluorescence ainsi que le transfert de gène d'une protéine fluorescente couplée au récepteur, dont la fluorescence n'apparait que lorsque les récepteurs arrivent à la surface. En bloquant l'activité de la CaMKII avec des outils pharmacologiques ou génétiques, j'ai observé une diminution importante dans la fréquence d'exocytose des récepteurs AMPA, ce qui confirme l'hypothèse qu'elle joue un rôle important dans ce processus. Toutefois, lors d'une stimulation de type cLTP, je n'ai pas observé d'augmentation dans la fréquence d'apparition des événements d'exocytose des récepteurs. Ces résultats indiquent que malgré le rôle de la CaMKII dans l'augmentation de l'exocytose des récepteurs AMPA, ces derniers ne sont pas davantage livrés à la membrane durant un protocole de cLTP, suggérant que seule l'immobilisation des récepteurs joue un rôle prépondérant dans l'augmentation des récepteurs AMPA à la synapse durant la LTP. Il sera cependant important d'étudier davantage pourquoi la CaMKII promeut l'exocytose des récepteurs AMPA, sans que ce processus soit augmenté durant la LTP.

Le récepteur AMPA (rAMPA) est un sous-type de récepteur au glutamate responsable de la majorité de la transmission synaptique excitatrice rapide dans le système nerveux central. L'apport de nouveaux récepteurs à la membrane par exocytose et la redistribution des rAMPA aux sites postsynaptiques ont été proposés comme des mécanismes de potentialisation à long terme (LTP) de la transmission synaptique, un modèle cellulaire impliqué dans l'apprentissage et la mémoire. Les preuves directes qui soutiennent ces hypothèses sont manquantes et les mécanismes moléculaires qui régulent l'apport des rAMPA à la membrane et le traffic aux synapses sont peu connus. Afin d'étudier les mécanismes de la redistribution des rAMPA aux synapses, nous avons mis en place une technique d'imagerie de molécules uniques à haute résolution. Nous fournissons une preuve directe que l'activation locale de la sous-unité α de la protéine kinase II (αCaMKII) déclenche l'immobilisation rapide des rAMPA aux sites synaptiques. De plus, nous avons trouvé que la phosphorylation de la sous-unité auxiliaire des rAMPA, la stargazine, est requise pour l'immobilisation aux synapses par la liaison à la protéine d'échafaudage synaptique, la PSD-95. Aussi, dans une seconde étude, nous avons montré les rôles distincts des isoformes a et βCaMKII sur la mobilité des rAMPA dans des conditions de transmission basale et de stimulation menant à la plasticité synaptique. Nos études apportent une vision supplémentaire sur le mécanisme à la base de la LTP. Pour étudier l'apport de nouveaux rAMPA à la membrane, à l'aide des récepteurs fusionnés à des protéines fluorescentes sensibles au pH, nous avons mesuré les événements unitaires d'insertion de GluA1 à la membrane postsynaptique. Nous montrons des résultats qui suggèrent que la CaMKII régule l'exocytose des rAMPA. Nos travaux apportent une meilleure compréhension des mécanismes permettant à une enzyme importante pour la mémoire, la CaMKII, de réguler la potentialisation synaptique, via l'apport accrue de rAMPA par exocytose et pas leur piégeage accru aux synapses. / The AMPA receptor (AMPAR) is a subtype of glutamate receptor responsible for the majority of fast excitatory synaptic transmission in the central nervous system. The addition of new receptors to the membrane by exocytosis and redistribution of AMPARs at the postsynaptic site have been proposed as mechanisms of long-term potentiation (LTP) of synaptic transmission, a cellular model of learning and memory. Direct evidence supporting these predictions is missing and the molecular mechanisms that regulate the contribution of AMPARs in the membrane traffic at synapses are poorly understood. To study the mechanisms of redistribution of AMPARs at synapses, we developed a high resolution single molecule imaging technique. We provide direct evidence that local activation of α subunit of the Ca2+/calmodulin protein kinase II (αCaMKII) triggers the rapid immobilization of AMPARs to synaptic sites. In addition, we found that phosphorylation of the auxiliary subunit of AMPARs, stargazine, is required for immobilization at synapses by binding to the synaptic scaffolding protein, PSD-95. Also, in a second study, we have highlighted the distinct contributions of two different isoforms α and β of CaMKII under conditions of basal transmission and following stimuli that induce synaptic plasticity. Our studies provide new insights on the mechanism underlying LTP. To study the contribution of new receptors to the membrane, we use receptors fused to pH-sensitive fluorescent proteins, we measured the discrete exocytic fusion events of GluA1 to the postsynaptic membrane. We provide evidence that CaMKII regulates the process of AMPAR exocytosis. Our experiments contribute to the understanding of how CaMKII, an important enzyme in memory, can regulate the increased delivery of AMPARs at synapses during synaptic potentiation, via their increased exocytosis and post-synaptic trapping.

La potentialisation synaptique dans les neurones d'hippocampes repose sur l'activation du récepteur NMDA (NMDAR) et l'influx de Ca²⁺. Des changements dans le Ca²⁺ cytosolique sont détectés par des effecteurs tels que la calpaïne et la protéine kinase II Ca²⁺/calmoduline-dépendante (CaMKII), transformant ces informations en signaux qui induisent une potentialisation synaptique. Une fois activée par l'influx de Ca²⁺, la calpaïne clive de nombreuses protéines cytosoliques, récepteurs et protéines d'échafaudage, remodelant ainsi la structure synaptique, ainsi que l'activité et/ou la dynamique de nombreuses protéines. Le rôle de la calpaïne au cours du processus de plasticité synaptique a été documenté, mais le mécanisme moléculaire est loin d'être clair. Dans cette étude, nous avons examiné le lien possible entre la calpaïne et CaMKII dans la médiation de la potentialisation à long terme (LTP). Nous avons utilisé des inhibiteurs pharmacologiques de la calpaïne pour interférer avec son activation lors de la potentialisation synaptique induite chimiquement dans des cultures dissociées d'hippocampe de rat. Nous avons d'abord confirmé que l'activité de la calpaïne est essentielle pour l'induction de la LTP dans les cultures neuronales dissociées. Nous montrons que l'activité de la calpaïne est essentielle pour de nombreux processus moléculaires importants pour la LTP. L'inhibition de l'activité de la calpaïne a bloqué la phosphorylation de ERK et l'insertion des récepteurs synaptiques AMPA; deux processus régulés par CaMKII impliqués dans la potentialisation synaptique. De plus, nous montrons que la calpaïne est essentielle pour l'autophosphorylation de CaMKII en utilisant un anticorps contre pCaMKII (Thr286). En mesurant le temps de vie par fluorescence (FLIM) avec un capteur basé sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET) (Camui) de l'activation de CaMKII, nous montrons que l'inhibition de la calpaïne empêche le changement dépendant de l'activité de la conformation de l'holoenzyme CaMKII et donc l'activation de la kinase. Nous avons aussi utilisé l'imagerie time-lapse et avons découvert que la translocation CaMKII post-synaptique dépendante de l'activité est diminuée par les inhibiteurs de la calpaïne. De plus, nous avons mesuré les taux de diffusion de CaMKII par SPT-PALM en utilisant CaMKII-meos2 et les résultats indiquent que l'inhibition de la calpaïne empêche la diminution dépendante de l'activité de la mobilité de l'holoenzyme. Nos résultats montrent clairement que les inhibiteurs de la calpaïne affectent la dynamique de CaMKII. Cela suggère que la calpaïne affecte directement CaMKII ou agit en amont de CaMKII. En effectuant des expériences dans des cellules HEK qui n'ont pas de CaMKII endogène, nous avons démontré que la calpaïne n'affecte pas directement CaMKII. Nous avons émis l'hypothèse que la calpaïne joue un rôle dans le processus de plasticité en amont de CaMKII. Nous avons étudié l'influx Ca²⁺ dépendant de l'activité en utilisant l'imagerie GCaMP6 et nos résultats indiquent que l'activité de la calpaïne est essentielle pour cette l'augmentation de Ca²⁺. En disséquant davantage la voie de signalisation, utilisant différents protocoles de stimulation (dépolarisation synaptique ou globale), nous montrons que la calpaïne affecte l'afflux de Ca²⁺ dépendant de NMDA et non l'influx de Ca²⁺ dépendant de la dépolarisation. Ainsi, notre étude montre que la calpaïne joue un rôle essentiel dans la LTP d'une manière dépendante du NMDAR et que l'inhibition de la calpaïne interfère dans les premières étapes de la signalisation médiée par le Ca²⁺ conduisant à l'induction du LTP. En discutant de ces résultats, nous fournissons des résultats préliminaires qui peuvent nous éclairer au niveau de l'impact de l'inhibition pharmacologique de la calpaïne sur la fonction des récepteurs NMDA. / Synaptic potentiation in hippocampal neurons relies on NMDA receptor (NMDAR) activation and Ca²⁺ influx. Changes in cytosolic Ca²⁺ are detected by effectors such as calpain and Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), transforming this information into signals inducing synaptic potentiation. Once activated by Ca²⁺ influx, calpain cleaves many cytosolic proteins, receptors, and scaffolding proteins, thereby remodeling the synaptic structure, as well as the activity and/or dynamics of many proteins. The role of calpain during the synaptic plasticity process has been documented, but the molecular mechanism is far from clear. In this study, we examined the possible link between calpain and CaMKII in the mediation of Long Term Potentiation (LTP). We used pharmacological inhibitors of calpain to interfere with its activation during chemically induced synaptic potentiation in rat hippocampal dissociated cultures. We first confirmed that calpain activity is essential for LTP induction in dissociated neuronal cultures. We show that calpain activity is essential for many molecular processes important for LTP. Inhibition of calpain activity blocked ERK phosphorylation and insertion of synaptic AMPA receptors - two CaMKII-regulated processes involved in synaptic potentiation. Further, we show that calpain is essential for CaMKII autophosphorylation by using an antibody against pCaMKII (Thr286). By performing Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) with a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensor (Camui) of CaMKII activation, we show that calpain inhibition prevents activity-dependent change in the conformation of the CaMKII holoenzyme and thus the activation of the kinase. We further used time-lapse imaging and found that activity-dependent post-synaptic CaMKII translocation is decreased by calpain inhibitors. Furthermore, we measured diffusion rates of CaMKII by SPT-PALM using CaMKII-meos2 and the results indicate that calpain inhibition prevents the activity-dependent decrease in the mobility of the holoenzyme. Our results clearly show that calpain inhibitors affect CaMKII dynamics. This suggests that either calpain affects CaMKII directly or is upstream to CaMKII. By performing experiments in HEK cells that do not have endogenous CaMKII, we demonstrated that calpain does not affect CaMKII directly. We hypothesized that calpain plays a role in the plasticity process at an upstream level to CaMKII. We investigated activity-dependent Ca²⁺ influx using GCaMP6 imaging and our results indicate that calpain activity is essential for this increase in Ca²⁺. Further dissecting the pathway, using different stimulation protocols (synaptic or global depolarisation), we show that calpain affects NMDA-dependent Ca²⁺ influx and not the depolarisation dependent Ca²⁺ influx. Thus, our study shows that calpain plays an essential role in LTP in an NMDAR dependent manner and that inhibiting calpain interferes in the early steps of Ca²⁺- mediated signaling leading to LTP induction. In discussing these results, we provide preliminary results that may shed light on the impact of pharmacological inhibition of calpain on NMDA receptor function.

O trocador de Na+/Ca2+ (NCX) constitui um dos principais mecanismos de extrusão de Ca2+ intracelular em células excitáveis. Foi demonstrado que alterações no funcionamento do NCX estão relacionadas a diversas situações patológicas. Por este motivo, o entendimento do mecanismo molecular da manutenção da concentração de Ca2+ intracelular via NCX é importante para a compreensão do funcionamento do trocador, bem como para o desenvolvimento de fármacos. Além de transportar Na+/Ca2+, o NCX também é regulado por esses íons. Este trocador é composto por dois domínios transmembranares, cada um deles contendo 5 α-hélices (TM), e uma grande alça intracelular que conecta as hélices TM5 e TM6. O domínio transmembranar é responsável por catalisar o transporte de Na+/Ca2+ através da bicamada lipídica, enquanto que a alça citoplasmática está envolvida com a regulação do trocador. Esta alça contém dois domínios sensores de Ca2+ adjacentes, denominados CBD1 e CBD2. Apesar da importância fisiológica do NCX, o mecanismo de regulação alostérica do trocador por Ca2+ intracelular permanece desconhecido. Neste trabalho, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de alta resolução foi utilizada para investigar a conformação e a dinâmica de CBD1 e CBD2 do trocador de Na+/Ca2+ de Drosophila melanogaster (CALX), isolados ou conectados covalentemente em uma construção denominada CBD12. Um total de 98% das ressonâncias da cadeia principal de CBD1 isolado na presença de Ca2+ foi assinalado, enquanto que na ausência de Ca2+, assinalamentos para apenas uma parte da cadeia principal puderam ser obtidos. Os assinalamentos adquiridos para CBD12 foram baseados na análise de um conjunto de espectros de RMN tridimensional heteronuclear e por comparação com os espectros dos domínios isolados. Uma análise preliminar dos deslocamentos químicos e dos parâmetros de relaxação de 15N obtidos para CBD1 indicou que este domínio é flexível na ausência de Ca2+, mas torna-se rígido após a adição deste íon. As medidas das velocidades de relaxação de 15N e de acoplamentos dipolares residuais (RDCs) de 1H-15N realizadas para CBD12 nas formas apo e holo indicaram que a ligação de Ca2+ em CBD1 estabiliza uma orientação rígida entre os domínios. A análise dos RDCs de 1H-15N mostrou ainda que a orientação média entre CBD1 e CBD2 é praticamente linear na ausência de Ca2+, enquanto que um ângulo menor é assumido após a adição deste íon. Os dados descritos nesta tese suportam um modelo de regulação alostérica em que a modulação da plasticidade de CBD12 pela ligação de Ca2+ no domínio CBD1 controla a abertura e o fechamento do trocador. / The Na+/Ca2+ exchanger (NCX) is a major mechanism for the extrusion of intracellular Ca2+ in excitable cells. It was demonstrated that altered functioning of this protein is related to various pathological situations. Therefore, the understanding of the molecular mechanism for maintaining the intracellular Ca2+ concentration by means of the NCX is important to understand the functioning of the exchanger and to develop drug-based therapies. Besides transporting Na+/Ca2+, the exchanger is also regulated by these ions. The NCX is composed of two transmembrane domains, each of them containing 5 transmembrane alpha-helices (TM), and a very large cytosolic loop that connects TM5 to TM6. The transmembrane domains are responsible for catalyzing the transport of Na+ and Ca2+ ions across the lipid bilayer, while the cytosolic loop is involved in regulation of the exchanger activity. It contains two regulatory Ca2+- binding domains, called CBD1 and CBD2, that appear in tandem. Despite the physiological importance of the NCX, the mechanism of allosteric regulation of the exchanger by intracellular calcium remains unclear. In this work we used high-resolution NMR spectroscopy to study the conformation and the dynamics of the two Ca2+-binding regulatory domains of Drosophila\'s Na+/Ca2+ exchanger (CALX), CBD1 and CBD2, in isolation as well as in a covalent construct called CBD12. Complete backbone NMR resonance assignments were obtained for the isolated CBD1 domain in the Ca2+-bound state, while partial assignments were obtained for CBD1 in the free state. Partial backbone NMR resonance assignments were obtained for the CBD12 construct through the analysis of a standard set of triple resonance NMR spectra. Additional assignments were obtained by comparison with the isolated CBD1 and CBD2 domains. A preliminary analysis of NMR chemical shifts and 15N relaxation data obtained for CBD1 indicates that this domain displays considerable amount of flexibility in the free state, but becomes more rigid upon Ca2+-binding. NMR 15N relaxation rates and 1H-15N residual dipolar couplings (RDCs) obtained for the Apo and Ca2+-bound states of the CBD12 domain indicate that calcium binding stabilizes a rigid inter-domain orientation. Analysis of 1H-15N RDCs further shows that Drosophila\'s CBD12 domain assumes an almost linear inter-domain orientation in the absence of Ca2+, while a smaller inter-domain angle was found in its presence. These findings support a model in which modulation of CBD12 plasticity by the binding of Ca2+ to the CBD1 domain controls the opening and closing of the exchanger.

Receptores purinérgicos e canais de cálcio voltagem-dependentes estão envolvidos em diversos processos biológicos como na gastrulação, durante o desenvolvimento embrionário, e na diferenciação neural. Quando ativados, canais de cálcio voltagem-dependentes e receptores purinérgicos do tipo P2, ativados por nucleotídeos, desencadeiam transientes de cálcio intracelulares controlando diversos processos biológicos. Neste trabalho, nós estudamos a participação de canais de cálcio voltagem-dependentes e receptores do tipo P2 na geração de transientes de cálcio espontâneos e sua regulação na expressão de fatores de transcrição relacionados com a neurogênese utilizando como modelo células tronco (CTE) induzidas à diferenciação em células tronco neurais (NSC) com ácido retinóico. Descrevemos que CTE indiferenciadas podem ter a proliferação acelerada pela ativação de receptores P2X7, enquanto que a expressão e a atividade desse receptor precisam ser inibidas para o progresso da diferenciação em neuroblasto. Além disso, ao longo da diferenciação neural, por análise em tempo real dos níveis de cálcio intracelular livre identificamos 3 padrões de oscilações espontâneas de cálcio (onda, pico e unique), e mostramos que ondas e picos tiveram a frequência e amplitude aumentadas conforme o andamento da diferenciação. Células tratadas com o inibidor do receptor de inositol 1,4,5-trifosfato (IP3R), Xestospongin C, apresentaram picos mas não ondas, indicando que ondas dependem exclusivamente de cálcio oriundo do retículo endoplasmático pela ativação de IP3R. NSC de telencéfalo de embrião de camundongos transgênicos ou pré-diferenciadas de CTE tratadas com Bz-ATP, o agonista do receptor P2X7, e com 2SUTP, agonista de P2Y2 e P2Y4, aumentaram a frequência e a amplitude das oscilações espontâneas de cálcio do tipo pico. Dados, obtidos por microscopia de luminescência, da expressão em tempo real de gene repórter luciferase fusionado à Mash1 e Ngn2 revelou que a ativação dos receptores P2Y2/P2Y4 aumentou a expressão estável de Mash1 enquanto que ativação do receptor P2X7 levou ao aumento de Ngn2. Além disso, células na presença do quelante de cálcio extracelular (EGTA) ou do depletor dos estoques intracelulares de cálcio do retículo endoplasmático (thapsigargin) apresentaram redução na expressão de Mash1 e Ngn2, indicando que ambos são regulados pela sinalização de cálcio. A investigação dos canais de cálcio voltagem-dependentes demonstrou que o influxo de cálcio gerado por despolarização da membrana de NSC diferenciadas de CTE é decorrente da ativação de canais de cálcio voltagem-dependentes do tipo L. Além disso, esse influxo pode controlar o destino celular por estabilizar expressão de Mash1 e induzir a diferenciação neuronal por fosforilação e translocação do fator de transcrição CREB. Esses dados sugerem que os receptores P2X7, P2Y2, P2Y4 e canais de cálcio voltagem-dependentes do tipo L podem modular as oscilações espontâneas de cálcio durante a diferenciação neural e consequentemente alteram o padrão de expressão de Mash1 e Ngn2 favorecendo a decisão do destino celular neuronal. / Purinergic receptors and voltage gated Ca2+ channels have been attributed with developmental functions including gastrulation and neural differentiation. Upon activation, nucleotide-activated P2 purinergic receptor and voltage-gated Ca2+ channel subtypes trigger intracellular calcium transients controlling cellular processes. Here, we studied the participation of voltage-gated calcium channels and P2 receptor activity in spontaneous calcium transients and consequent regulation expression of transcription factors related to retinoic acid-induced neurogenesis of mouse neural stem and embryonic stem cells (ESC). In embryonic pluripotent stem cells, proliferation is accelerated by P2X7 receptor activation, while receptor expression / activity needs to be down-regulated for the progress of neuroblast differentiation. Moreover, along neural differentiation time lapse imaging with means of a cytosolic calcium-sensitive fluorescent probe provided different patterns of spontaneous calcium transients (waves and spikes) showing that both, frequency and amplitude increased along differentiation. Cells treated with the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP3R) inhibitor Xestospongin C showed spikes but not waves, indicating that waves exclusively depended on calcium release from endoplasmic reticulum by IP3R activation. Cells treated with the P2X7 receptor subtype agonist Bz-ATP and the P2Y2 and P2Y4 receptor 2-S-UTP increased frequency and amplitudes of calcium transients, mainly spikes, in embryonic telencephalon neural stem cells (NSC) and NSC pre-differentiated from ESC. Data obtained by luminescence time lapse imaging of stable transfected cells with Mash1 or Ngn2 promoter-protein fusion to luciferase reporter construct revealed increased Mash1 expression due to activation of P2Y2/P2Y4 receptor subtypes, while increased expression of Ngn2 was observed following P2X7 receptor activation. In addition, cells imaged in presence of the extracellular calcium chelator EGTA or following endoplasmic reticulum calcium store depletion by thapsigargin showed a decrease in Mash1 and Ngn2 expression, indicating that both are regulated by calcium signaling. Investigation of the roles of voltage gated Ca2+ channels in neural differentiation showed that Ca2+ influx in NSC pre-differentiated from ESC is due to membrane depolarization and L-type voltage gated Ca2+ channel activation, thereby controlling cell fate decision, by stabilizing the expression of MASH1 and inducing differentiation, by phosphorylation of the transcription factor CREB. Altogether these data suggest that P2X7, P2Y2, P2Y4 receptors and L-type voltage gated Ca2+ channels can modulate spontaneous calcium oscillations during neural differentiation and consequently change the Mash1 and Ngn2 expression patterns, thus favoring the cell fate decision to the neuronal phenotype.

La découverte de nouveaux agents antipaludiques est primordiale. A travers le monde, les chercheurs se sont focalisés sur plusieurs stratégies. Les plus développées sont : soit les tests de molécules issues de bibliothèques chimiques dans une recherche phénotypique (comme le test direct d’agents sur des cultures de parasites in vitro), soit la recherche de nouvelles molécules agissant sur l’activité d’une cible ou d’une voie spécifique et essentielle. Cette thèse est centrée sur le second type d’approche. Nous nous sommes intéressés aux transporteurs membranaires de P. falciparum. Pour cela, nous exprimons les protéines d’intérêt dans la levure et nous les purifions. Nous optimisons les tests fonctionnels, dans le but de : a) déterminer l’effet des molécules sur les cibles spécifiques ; b) tester leur effet sur les cultures d’érythrocytes infectés par P. falciparum in vitro ; c) vérifier leur toxicité sur des cellules de mammifères ; et d) réaliser le test des molécules les plus efficaces in vivo dans un modèle de paludisme murin. Notre travail actuel est focalisé sur l’ATPase6 de P. falciparum (PfATP6) et l’adénylate translocase (PfAdT), deux protéines membranaires essentielles localisées respectivement sur le réticulum endoplasmique et la membrane mitochondriale. Nous exprimons de manière hétérologue PfATP6 dans les membranes de levure, nous purifions la protéine et mesurons une activité ATPase spécifique. Nous avons ainsi pu tester une bibliothèque chimique importante et identifier des inhibiteurs spécifiques. Ces derniers ont ensuite été testés pour évaluer leur effet sur les stades érythrocytaires du parasite in vitro et leur cytotoxicité sur des cellules de mammifères. Pour le transporteur PfAdT, nous procédons comme pour PfATP6, mais nous avons choisi un autre type de test fonctionnel dans lequel la protéine est directement exprimée sur la membrane plasmique d’E. coli. Cela devrait permettre de mesurer le transport d’ATP radiomarqué, et l’identification d’inhibiteurs spécifiques dont les effets pourront être évalués sur des cultures de parasites in vitro et dans des essais de cytotoxicité. / New drug discovery for malaria treatment urges, now more than ever. There is no optimal solution to the search for new antimalarials. Worldwide, researchers have focused their energies on several strategies. The most commonly employed are: either by screening molecules issued from chemical libraries in a phenotypic way (i.e., direct testing of drugs on in vitro parasite cultures), or by searching for new molecules acting upon the activity of a specific essential target or pathway. This PhD thesis centers on the second type of approach. We are interested in targeting membrane transporters of P. falciparum. For this, we plan to express proteins of interest in yeast and proceed to their isolation. With optimized functional tests, we aim to: a) Determine the effect of molecules upon specific targets; b) Test their effect on P. falciparum in vitro erythrocytes cultures; c) As well as verify their toxicity on mammalian cells; and d) Perform in vivo testing of the best molecules on a rodent model for malaria. Our actual work is focused on the P. falciparum Ca2+ - ATPase 6 (PfATP6) and adenylate translocase (PfAdT), two essential membrane proteins localized on the endoplasmic-reticulum and the mitochondrial membrane, respectively. We were able to express heterologously PfATP6 in yeast membranes, purify the protein and measure a specific ATPase activity. With this, we have tested a large chemical library and identified specific inhibitors. These were then tested for their effect on in vitro blood stages of P. falciparum and for their cytotoxicity on mammalian cells. For the ATP/ADP carrier PfAdT, we proceeded as previously done with PfATP6 but we have also chosen another type of functional test where we express directly this protein in the plasma membrane of E. coli. This will enable in the future the measurement of radiolabelled ATP uptake, and the identification of specific inhibitors that could then be tested for their effect on P. falciparum in vitro cultures and for their cytotoxicity.

O trocador de Na+/Ca2+ (NCX) constitui um dos principais mecanismos de extrusão de Ca2+ intracelular em células excitáveis. Foi demonstrado que alterações no funcionamento do NCX estão relacionadas a diversas situações patológicas. Por este motivo, o entendimento do mecanismo molecular da manutenção da concentração de Ca2+ intracelular via NCX é importante para a compreensão do funcionamento do trocador, bem como para o desenvolvimento de fármacos. Além de transportar Na+/Ca2+, o NCX também é regulado por esses íons. Este trocador é composto por dois domínios transmembranares, cada um deles contendo 5 α-hélices (TM), e uma grande alça intracelular que conecta as hélices TM5 e TM6. O domínio transmembranar é responsável por catalisar o transporte de Na+/Ca2+ através da bicamada lipídica, enquanto que a alça citoplasmática está envolvida com a regulação do trocador. Esta alça contém dois domínios sensores de Ca2+ adjacentes, denominados CBD1 e CBD2. Apesar da importância fisiológica do NCX, o mecanismo de regulação alostérica do trocador por Ca2+ intracelular permanece desconhecido. Neste trabalho, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de alta resolução foi utilizada para investigar a conformação e a dinâmica de CBD1 e CBD2 do trocador de Na+/Ca2+ de Drosophila melanogaster (CALX), isolados ou conectados covalentemente em uma construção denominada CBD12. Um total de 98% das ressonâncias da cadeia principal de CBD1 isolado na presença de Ca2+ foi assinalado, enquanto que na ausência de Ca2+, assinalamentos para apenas uma parte da cadeia principal puderam ser obtidos. Os assinalamentos adquiridos para CBD12 foram baseados na análise de um conjunto de espectros de RMN tridimensional heteronuclear e por comparação com os espectros dos domínios isolados. Uma análise preliminar dos deslocamentos químicos e dos parâmetros de relaxação de 15N obtidos para CBD1 indicou que este domínio é flexível na ausência de Ca2+, mas torna-se rígido após a adição deste íon. As medidas das velocidades de relaxação de 15N e de acoplamentos dipolares residuais (RDCs) de 1H-15N realizadas para CBD12 nas formas apo e holo indicaram que a ligação de Ca2+ em CBD1 estabiliza uma orientação rígida entre os domínios. A análise dos RDCs de 1H-15N mostrou ainda que a orientação média entre CBD1 e CBD2 é praticamente linear na ausência de Ca2+, enquanto que um ângulo menor é assumido após a adição deste íon. Os dados descritos nesta tese suportam um modelo de regulação alostérica em que a modulação da plasticidade de CBD12 pela ligação de Ca2+ no domínio CBD1 controla a abertura e o fechamento do trocador. / The Na+/Ca2+ exchanger (NCX) is a major mechanism for the extrusion of intracellular Ca2+ in excitable cells. It was demonstrated that altered functioning of this protein is related to various pathological situations. Therefore, the understanding of the molecular mechanism for maintaining the intracellular Ca2+ concentration by means of the NCX is important to understand the functioning of the exchanger and to develop drug-based therapies. Besides transporting Na+/Ca2+, the exchanger is also regulated by these ions. The NCX is composed of two transmembrane domains, each of them containing 5 transmembrane alpha-helices (TM), and a very large cytosolic loop that connects TM5 to TM6. The transmembrane domains are responsible for catalyzing the transport of Na+ and Ca2+ ions across the lipid bilayer, while the cytosolic loop is involved in regulation of the exchanger activity. It contains two regulatory Ca2+- binding domains, called CBD1 and CBD2, that appear in tandem. Despite the physiological importance of the NCX, the mechanism of allosteric regulation of the exchanger by intracellular calcium remains unclear. In this work we used high-resolution NMR spectroscopy to study the conformation and the dynamics of the two Ca2+-binding regulatory domains of Drosophila\'s Na+/Ca2+ exchanger (CALX), CBD1 and CBD2, in isolation as well as in a covalent construct called CBD12. Complete backbone NMR resonance assignments were obtained for the isolated CBD1 domain in the Ca2+-bound state, while partial assignments were obtained for CBD1 in the free state. Partial backbone NMR resonance assignments were obtained for the CBD12 construct through the analysis of a standard set of triple resonance NMR spectra. Additional assignments were obtained by comparison with the isolated CBD1 and CBD2 domains. A preliminary analysis of NMR chemical shifts and 15N relaxation data obtained for CBD1 indicates that this domain displays considerable amount of flexibility in the free state, but becomes more rigid upon Ca2+-binding. NMR 15N relaxation rates and 1H-15N residual dipolar couplings (RDCs) obtained for the Apo and Ca2+-bound states of the CBD12 domain indicate that calcium binding stabilizes a rigid inter-domain orientation. Analysis of 1H-15N RDCs further shows that Drosophila\'s CBD12 domain assumes an almost linear inter-domain orientation in the absence of Ca2+, while a smaller inter-domain angle was found in its presence. These findings support a model in which modulation of CBD12 plasticity by the binding of Ca2+ to the CBD1 domain controls the opening and closing of the exchanger.

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