Le potentiel d’action cardiaque est un phénomène électrique finement régulé par des modifications du voltage membranaire engendré par l’ouverture de différents canaux ioniques (sodium, calcium, chlore et potassium) présents à la surface des cardiomyocytes. Les transferts d’ions, de part et d’autre de la membrane via ces canaux, génèrent des courants pouvant être mesurés par la technique de patch clamp. L’activité électrique cardiaque est donc la résultante d’un équilibre de différents flux d’ions qui peut également être modulé par les systèmes sympathique et parasympathique afin de permettre l’adaptation du rythme cardiaque. Le courant sodique (I[indice inférieur Na]) est responsable de l’initiation des potentiels d’action (PA) et module sa durée. Il joue donc un rôle prépondérant dans l’excitabilité cardiaque et la conduction de l’influx électrique. De par ce fait, une modification des propriétés biophysiques d’I[indice inférieur Na] lors de conditions physiopathologiques peut engendrer des troubles du rythme. I[indice inférieur Na] est divisé en phases rapide (I[indice inférieur Na] pic) et soutenue (I[indice inférieur NaL]) qui interviennent respectivement dans l’excitabilité et la durée d’un PA (phase de plateau). De plus, notre laboratoire a démontré que les canaux sodiques de types cardiaque ([indice inférieur Na]V1.5) et neuronaux (n[indice inférieur Na]Vs) contribuent à I[indice inférieur Na]. Chacun se différencie par leurs propriétés biophysiques, leurs contributions à I[indice inférieur Na] (pic et soutenu) ainsi qu’à leurs sensibilités à la tétrodotoxine (TTX). Nous avons étudié les effets précoces d’un diabète de type II, de l’exposition in-utero à la nicotine des nouveau-nés, de l’épilepsie et de l’ischémie sur les propriétés biophysiques du courant sodique cardiaque I[indice inférieur Na] responsable de l’impulsion électrique menant au battement cardiaque. Ces pathologies ont comme point commun l’apparition de troubles du rythme cardiaque tels que des bradycardies, des troubles de conduction menant parfois à des blocs auriculo-ventriculaires (BAV), des insuffisances cardiaques ou encore des problèmes d’excitabilité pouvant tous être reliés au courant sodique. Nos résultats montrent que toutes ces conditions physiopathologiques altèrent les propriétés du courant sodique en augmentant l’amplitude du courant I[indice inférieur Na] (diabète, exposition in-utero à la nicotine, épilepsie), l’excitabilité (diabètes, exposition in-utero à la nicotine, épilepsie) ou en augmentant le taux de participation des nNaVs à I[indice inférieur NaL] (épilepsie, ischémie). Nos données concordent avec la littérature et les observations cliniques et permettent d’expliquer en partie l’apparition de ces anomalies de troubles du rythme survenant chez les personnes atteintes de ces pathologies.

La prise en charge de la douleur est un enjeu médical majeur car il existe toujours des douleurs réfractaires aux traitements antalgiques actuels. La détection de la douleur est assurée par les neurones nociceptifs dont l'excitabilité est majoritairement contrôlée par les canaux sodiques dépendants du potentiel (Nav). Parmi eux, le canal Nav1.9 se distingue par son expression restreinte dans les nocicepteurs et par ses caractéristiques électrophysiologiques qui lui confèrent un rôle particulier dans l'électrogenèse de ces neurones. Au cours de ce travail de thèse nous avons caractérisé le rôle du canal Nav1.9 dans trois modèles de douleurs inflammatoires : aigue, persistant et chronique. Nous avons mis en oeuvre un ensemble de techniques d'analyses comportementales, moléculaires et électrophysiologiques, qui nous ont permis de montrer le rôle du canal Nav1.9 dans ces trois modèles de douleur et de révéler plusieurs mécanismes de régulation potentiels.Par la suite, nous nous sommes attachés à décortiquer l'un de ces mécanismes. Nous avons montré que le canal Nav1.9 est présent dans des microdomaines membranaires riches en cholestérol. Nous avons mis en évidence que l'inflammation diminuait la quantité de cholestérol dans les tissus. Ce mécanisme est à l'origine de douleurs dues à l'activation des canaux Nav1.9 et à leur relocalisation en dehors des radeaux lipidiques. Enfin nos expériences montrent que l'application topique de cholestérol peut réduire les douleurs inflammatoires, ouvrant de nouvelles perspectives thérapeutiques. / In mammals, perception of pain is initiated by signaling the occurrence of noxious stimuli through nociceptive neurons located in peripheral sensory ganglia. Nociceptive neurons play a pivotal role in pain perception as they transmit painful information to the central nervous system (CNS). They are largely responsible for the modifications of pain sensation caused by a lesion/inflammation or during the course of chronic diseases like rheumatoid arthritis. Unravelling the precise mechanism of ion channel activation during such pathophysiological conditions is one of the most challenging issues to design new therapeutic pain killer strategies.In this PhD thesis work, we will focus on one particular and promising sodium channel, named Nav1.9. We characterized Nav1.9 channel function in three inflammatory pain models: acute, persistent and chronic, using behavioural, molecular and electrophysiological analysis technics. This work allowed us to point out different putative mechanisms of regulation of this channel.We further decipher the regulation of Nav1.9 by cholesterol lipid in membrane microdomains. We showed that Nav1.9 channel is present in rafts specialized membrane microdomains enriched in cholesterol. We demonstrated that inflammation triggers a decrease in cholesterol level in inflamed territories and that cholesterol deletion induces mechanical allodynia in animals. In addition, we demonstrated that this pain was due to Nav1.9 channel activation and relocalization of this channel out of lipid rafts. Finally our experiments reported that exogenous cholesterol application reduces inflammatory pain. All these results provide a new insight in therapeutic perspectives.

L'objectif de ce travail a été de comprendre comment les canaux ioniques sont adressés, organisés et régulés dans des domaines spécialisés de la membrane plasmique des cardiomyocytes. Parmi les partenaires des canaux, les protéines MAGUK (Membrane Associated GUanylate Kinase) sont spécialisées dans l'ancrage, l'agrégation et la formation de complexes macromoléculaires à la membrane. J'ai caractérisé pour la première fois au niveau cardiaque une de ces protéines MAGUK, la protéine CASK. CASK est localisée à la membrane latérale des cardiomyocytes et exclue des disques intercalaires, zones de conduction privilégiée dans l'axe longitudinal. À la membrane latérale, la protéine CASK est exprimée au sein du complexe costamérique dystrophine/glycoprotéines. L'inhibition de CASK entraîne l'augmentation du courant sodique INa dans les HEK293 et les myocytes cardiaques. Dans les HEK293, la microscopie à onde évanescente (TIRF) et des expériences de biotinylation ont mis en évidence que cette augmentation du courant INa est associée à une augmentation du nombre de canaux NaV1.5 à la membrane. La microscopie de conductance ionique (SICM) couplée au patch clamp en configuration cellule attachée a permis de montrer que CASK retient les canaux sodiques au niveau des crêtes et prévient leur agrégation en clusters dans les T-tubules. Enfin, l'inhibition de CASK in vivo par une stratégie reposant sur l'utilisation de virus adéno-associés (AAV) est responsable d'un allongement de la durée de dépolarisation ventriculaire et de l'apparition d'une cardiopathie dilatée. / The aim of the thesis was to understand how ion channels are addressed, organized and regulated in specialized domains of the plasma membrane of cardiac myocytes. Among these partners, the MAGUK proteins (Membrane Associated GUanylate Kinase) are specialized in anchoring, aggregation and clustering of macromolecular complexes at the plasma membrane. In particular, characterized for the first time at the level of the hearth, one of these MAGUK proteins is the CASK protein. CASK is localized at the lateral membrane of cardiomyocytes, but excluded from intercalated disks which are privilege zones of the longitudinal axial conduction. At the lateral membrane, CASK protein is expressed among the costameric dystrophin/glycoproteins complex. CASK inhibition leads to the increase in sodium current density in HEK293 cells and in cardiomyocytes. In HEK293, evanescent wave microscopy (TIRF) and biotinylation experiments pointed out that the INa increase is associated to an increase in the number of NaV1.5 channels at the plasma membrane. Scanning ion conductance microscopy (SICM) coupled to cell-attached patch-clamp has demonstrated that CASK holds together sodium channels at the crest level and prevents their aggregation into clusters in the T-tubules. Finally, inhibition of CASK, in vivo, using an adeno-associated virus strategy resulted to an increase in duration of ventricular depolarization and to the appearance of dilated cardiomyopathy.

Les canaux calciques de type T Cav3.2 sont des régulateurs clés des fonctions sensorielles, et de fait sont également des cibles intéressantes pour le développement de nouveaux composés analgésiques pour le traitement et le management de la douleur. Malgré de récentes avancées dans l’identification de petites molécules organiques ciblant la famille des canaux Cav3.x/Type T, il reste encore à identifier un inhibiteur spécifique de Cav3.2. Le venin d’araignées contient une large diversité de neurotoxines incluant des modificateurs de gating des canaux calciques. En utilisant des canaux calciques recombinants, nous avons procédé à un criblage d’une bibliothèque de venins et avons identifié un nouveau peptide de 28 acides aminés (Psp3Tx1). La forme synthétique de ce peptide a été utilisé pour déterminer son profil de selectivité sur un panel de membres proches de la famille des canaux calciques (Cav) et sodiques (Nav) dépendants du voltage. Le peptide est sélectif pour le canal Nav1.7 (une cible largement validée dans le contexte des pathologies de la douleur) avec un effet complémentaire sur Cav3.2 à de fortes doses. In vivo chez la souris, le peptide possède des propriétés analgésiques avec des effets anti-hyperalgésiques et anti-allodyniques dans un contexte de douleur neuropathique. Ce peptide possède également un pouvoir analgésique dans un contexte de douleur spontanée induit par un agoniste des canaux Nav1.7. Les résultats présentés dans cette thèse sont encourageants pour la mise en place d’un projet amenant Psp3Tx1 au niveau clinique. / The T-type calcium channel Cav3.2 emerges as a key regulator of sensory functions, and therefore is an interesting drug target to develop innovative analgesic compounds for improved chronic pain management. Despite recent advances in the identification of small organic molecules targeting the Cav3.x/T-type calcium channel family, to date specific Cav3.2 inhibitors remains to be identified. Spider venoms proved to contain a large diversity of neurotoxins including gating modifiers of calcium channels. Using recombinant Cav3.2 channels, we performed a screening of a Tarantula venom library and identified a new 28 amino acid peptide (Psp3Tx1). The synthetic form of the peptide was used to determine its selectivity profile over a panel of closely related members of the voltage gated calcium (Cav) and sodium (Nav) channels. The peptide proved to be selective for the Nav1.7 channel (largely validated target in the context of pain pathologies) with an additional effect on Cav3.2 at more elevated doses. In vivo in mice, the peptide demonstrated to be an efficient analgesic molecule with anti hyperalgesic and antiallodynic properties in the context of neuropathic pain. This peptide also possess analgesic properties in a context of spontaneous pain induced by a Nav1.7 agonist. The results presented in this thesis are encouraging for the setup of a project taking Psp3Tx1 into clinical tests.

L’expression anormale du canal sodique Nav1.5 dans le cancer du sein est corrélée au développement métastatique et à une mortalité augmentée. Le canal Nav1.5 est localisé dans les invadopodes des cellules cancéreuses mammaires humaines MDA-MB-231 et augmente leur activité protéolytique par une modulation allostérique de l’échangeur NHE-1 et l’activation de protéases acides. In vivo, dans un modèle de xénogreffe sur souris NMRI nude, l’expression de Nav1.5 potentialise la colonisation des poumons par les cellules cancéreuses mammaires humaines. Cette colonisation métastatique est inhibée par un traitement à la ranolazine, un inhibiteur pharmacologique des canaux Nav1.5. La sous-unité β4, auxiliaire des canaux Nav, voit son expression diminuer au cours de la progression cancéreuse, ce qui est associé in vitro à une augmentation de l’invasivité cellulaire. Cette augmentation d’invasivité semble indépendante du canal Nav1.5 et pourrait être associée à une transition des cellules vers un phénotype amiboïde. En conclusion, l’expression de Nav1.5 et la perte d’expression de β4 semblent jouer des rôles complémentaires dans l’invasivité des cellules cancéreuses. / The abnormal expression of sodium channel Nav1.5 in breast cancer is correlated with metastatic development and an increased mortality. The Nav1.5 channel is located in invadopodia in human breast cancer cells MDA-MB-231, where it increases proteolytic activity by allosteric modulation of exchanger NHE-1 and activation of acidic proteases. In vivo, in a xenograft model in nude NMRI mice, the expression of Nav1.5 potentiates lung colonization by human breast cancer cells. Metastatic colonization is inhibited by treatment with ranolazine, a pharmacological inhibitor of Nav1.5. The β4 subunit, an auxiliary subunit of Nav channels, is expressed at low levels or lost when tumors are more aggressive, and its suppression in vitro increases celI invasiveness. This increase seems to be independent of Nav1.5 and could be associated with the transition of cells to an amoeboid phenotype. In conclusion, Nav1.5 expression and the loss of β4 expression seem to play complementary roles in the invasiveness of cancer cells.

Les cellules cancéreuses mammaires invasives expriment des canaux sodiques NaV1.5 dont l’activité semble être associée au développement métastatique. L’activité de ce canal dans les cellules MDA-MB-231 conduit à une acidification péricellulaire favorable à l’activité des cathepsines à cystéine B et S extracellulaires et à la dégradation de la matrice extracellulaire. Au cours de cette thèse, nous avons montré que l’échangeur NHE1 est le principal régulateur du pH des cellules MDA-MB-231 et que l’activité du canal NaV1.5 augmente l’activité d’efflux de protons par NHE1 vraisemblablement par modulation allostérique. NaV1.5 et NHE1 sont co-localisés dans des radeaux lipidiques et plus particulièrement dans les invadopodes des cellules MDA-MB-231. Les activités de NHE1 et NaV1.5 stimulent l’activité protéolytique des invadopodes. Enfin, l’activité du canal NaV1.5 semble moduler le cytosquelette et la morphologie des cellules cancéreuses MDA-MB-231 pour leur donner un phénotype invasif. En conclusion, NaV1.5 augmente l’activité de NHE1 dans les invadopodes stimulant ainsi l’invasivité des cellules cancéreuses mammaires. / Invasive breast cancer cells express NaV1.5 sodium channels which activity seems to be associated with metastatic progression. The activity of the channel in MDA-MB-231 cells leads to a pericellular acidification favourable for the activity of extracellular cysteine cathepsins B and S and for extracellular matrix degradation. During this thesis, we have shown that NHE1 exchanger is the main pH regulator in MDA-MB-231 cells and that the activity of NaV1.5 channels increases protons efflux activity of NHE1 possibly through allosteric modulation. NaV1.5 and NHE1 are co-localised in lipid rafts and in invadopodia of MDA-MB-231 cells. The activity of NHE1 and NaV1.5 promotes the proteolytic activity of invadopodia. Finally, the activity of NaV1.5 channels seems to modulate cytoskeleton and morphology of MDA-MB-231 cancer cells to promote the acquisition of a proinvasive phenotype. In conclusion NaV1.5 increases NHE1 activity in invadopodia to stimulate breast cancer cells invasiveness.

Le syndrome de Brugada (BrS) est une cardiopathie héréditaire à transmission autosomique dominante, se manifestant par une anomalie de l'ECG et un risque accru de mort subite. Les mutations retrouvées dans la sous-unité α du canal sodique cardiaque Nav1.5 chez certains patients entraînent un défaut d'adressage membranaire de ces canaux. Ceux-ci restent alors séquestrés dans des compartiments intracellulaires. L'étude de ces mutants se réduisant souvent à l'utilisation de traitements correcteurs, les mécanismes de rétention impliqués restent encore méconnus. L'objectif de ce travail est d'étudier des mutants Nav1.5 présentant un défaut d'adressage en tenant compte non seulement de l'hétérozygotie des patients BrS mais également de la présence de la sous unité régulatrice β1 prédominante dans le cœur. Des études fonctionnelles et biochimiques mettent en évidence un effet dominant négatif exercé par les mutants R1432G, L325R et S910L sur la densité de courant INa sauvage (WT). Cet effet nécessite la présence de la sous-unité β1 et passe par l'altération de l'adressage membranaire des formes WT. Ceci est la conséquence d'une interaction physique entre des sous-unités α mutantes et WT. D'autre part, les mutants étudiés présentent un profil de maturation lié aux N-glycosylations qui différent de celui des canaux WT. Nos données suggèrent que ces canaux peuvent emprunter (i) la voie classique d'adressage dans leur forme mature (ii) la voie dite non conventionnelle lorsqu'ils sont partiellement glycosylés. En conclusion, ces travaux mettent en évidence le rôle de la sous-unité β1 ainsi que l'implication des N-glycosylations dans la modulation de l'adressage des canaux Nav1.5 / Brugada syndrome (BrS) is an inherited autosomal dominant cardiac channelopathy characterized by abnormal ECG pattern and an increased risk of sudden cardiac death. Several mutations on the cardiac sodium channel Nav1.5 which are responsible for BrS lead to misfolded proteins that do not traffic properly to the plasma membrane and are instead retained in intracellular compartments. Although pharmacological rescue is commonly used to characterize misfolded mutants, underlying cellular retention mechanisms remain unclear. The aim of this work is to investigate trafficking defective Nav1.5 mutants considering BrS patient heterozygosity and the presence of the regulatory β1-subunit which is largely expressed in cardiac tissue. By combining electrophysiology and biochemical approaches, we show that three distinct mutants, R1432G, L325R and S910L, exert a strong dominant negative effect upon wild-type (WT) sodium current density. Our data indicate that this effect requires the presence of the β1-subunit and is mediated by disruption of membrane trafficking of WT channels. Co-immunoprecipitation experiments demonstrate a physical interaction between mutant and WT α-subunits occurring only when the β1-subunit was present. Furthermore, we investigate the maturation pattern of Na channels. Our data show distinct N-glycosylated states between WT and mutant channels, suggesting that Nav1.5 α-subunits traffic (i) via unconventional secretion pathway as a partially glycosylated product, (ii) through the classical secretory pathway for mature fully-glycosylated form. This work highlights that β1-subunit and N-linked glycosylation process play key roles in modulating Nav1.5 trafficki