Parmi les différents types de canaux ioniques, les canaux potassium (K+) sont très largement exprimés au niveau des cellules eucaryotes. Ils se répartissent en plusieurs familles et sous-familles. Parmi celles-ci, les canaux K+ ATP-dépendants (KATP) représentent une classe tout à fait particulière. En effet, ils ont la particularité d’être sensibles à la concentration cytosolique d’ATP et permettent ainsi de coupler le potentiel membranaire de la cellule à son statut métabolique. Le canal KATP est un complexe hétéro-octamérique constitué de 2 sous-unités : une sous-unité Kir6.x (Kir6.1 ou Kir6.2) formant le pore du canal et appartenant à la famille des canaux potassiques de type « inward rectifier », et une sous-unité régulatrice SURx (SUR 1 ou SUR2A/B) faisant partie des protéines ABC (ATP-binding cassette). L’expression hétérologue des sous-unités Kir6.x et SURx suivant différentes combinaisons conduit à la formation de plusieurs types de canaux KATP possédant des propriétés électro-physiologiques et des sensibilités aux nucléotides et aux agents pharmacologiques distinctes. Les canaux KATP ont, à ce jour, été très peu étudiés dans la fonction de reproduction. Au cours de ce travail, nous avons notamment caractérisé la répartition tissulaire des différentes sous-unités Kir6.x et SURx constitutives des canaux KATP dans les différents segments de l’appareil reproducteur du rongeur mâle. Des marquages immuno-histochimiques ont permis de détecter les sous-unités Kir6.2 et SUR2 au niveau du testicule, de l’épididyme et du canal déférent. Au niveau du testicule, ces marquages sont localisés dans les cellules de Sertoli, ainsi que dans les spermatides et les spermatozoïdes présents au centre du tube séminifère. Les cellules de l’épithelium épididymaire sont également marquées ainsi que les spermatozoïdes présents dans la lumière. De plus, le marquage Kir6.2 et SUR2 est présent dans l’épithélium du canal déférent et se retrouve au niveau de l’épithélium de plusieurs glandes annexes (prostate, vésicule séminale, glande de coagulation). Aucun marquage n’est détecté pour les sous-unités Kir6.1 et SUR1. Une étude plus détaillée des marquages observés au niveau de l’épithélium épididymaire révèle une colocalisation des sous-unités Kir6.2 et SUR2 dans les cellules principales de l’épithélium épididymaire avec un marquage particulièrement intense au niveau de l’appareil de Golgi. La présence de ces deux sous-unités au sein de l’épididyme a été confirmée par immunoblots. La présence d’ARNm codant pour Kir6.2 et SUR2 a été détectée par RT-PCR à partir d’extraits d’ARN d’épididymes adultes et pré-pubères de souris. Nous avons également démontré, par immunofluorescence indirecte, une association Kir6.2 / SUR2 dans des échantillons d’épididymes humains, bovins, canins et félins. Les marquages ont été répétés sur des étalements de spermatozoïdes provenant de rongeurs mais aussi d’autres espèces (humains, canins et équins). Les sous-unités Kir6.2, SUR2 mais également Kir6.1 ont été observées. Leur présence a été confirmée par immunoblotting. L’ARNm codant pour ces différentes sous-unités, mais pas pour la sous-unité SUR1, a été détecté par RT-PCR. Nous avons tenté ensuite de mieux cerner le rôle physiologique potentiel des canaux KATP au niveau des spermatozoïdes de souris. Comme les canaux KATP participent indirectement au contrôle de l’activité des canaux calciques potentiel-dépendants et à l’influx de calcium, nous avons mesuré la concentration de calcium intracellulaire de spermatozoïdes isolés et incubés dans différentes conditions expérimentales. Nous avons pu démontrer que différents agents pharmacologiques connus pour inhiber l’activité des canaux KATP étaient susceptibles de provoquer une augmentation rapide et soutenue de la concentration cytosolique en Ca2+ libre de spermatozoïdes isolés et périfusés. L’absence de calcium extracellulaire abolit l’effet des inhibiteurs des canaux KATP, ce qui confirme le rôle de ces canaux ioniques dans le contrôle de l’influx de calcium au niveau des spermatozoïdes. Nous avons ensuite évalué l’implication des canaux KATP dans la réaction acrosomiale, processus physiologique calcium-dépendant indispensable à la fécondation de l’ovocyte. Pour ce faire, nous avons initialement validé une technique de détection et de quantification de la réaction acrosomiale pour le spermatozoïde de souris. Tous les agents pharmacologiques que nous avions précédemment testés et qui augmentaient la concentration cytosolique en Ca2+ libre, induisent également une réaction acrosomiale. Dans le but de mieux cerner le rôle que pourraient jouer les canaux KATP dans les phénomènes sécrétoires participant à la fonction de reproduction, nous nous sommes intéressés au placenta humain dont le processus hormonal sécrétoire (hCG et hPL) est un processus Ca2+-dépendant bien caractérisé. Nous avons mis en évidence, par immunohistochimie, la présence des sous-unités Kir6.2 et SUR2 dans le syncytiotrophoblaste de placentas humains à terme. La présence de ces deux sous-unités a été confirmée par immunoblots et RT-PCR. La sécrétion d’hCG et d’HPL a été étudiée en réponse à divers agents pharmacologiques modulant l’activité des canaux KATP. Dans un modèle expérimental d’explants placentaires incubés, l’addition d’inhibiteurs et/ou d’activateurs des canaux KATP n’affecte pas, de manière significative, la sécrétion d’hCG et d’hPL. En conclusion, nos travaux démontrent, pour la première fois, l’existence de différentes sous-unités formant les canaux KATP au niveau de plusieurs structures de l’appareil reproducteur. Dans le cas des spermatozoïdes, ces canaux semblent être fonctionnels et sont impliqués dans le contrôle de l’entrée de calcium.

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Background: Modulation of ischemia-dependent pathways alters electrophysiological evolution of ventricular fibrillation(VF). Hypothesis: 1)There is regional disease-related expression of KATP-channels in human cardiomyopathic hearts. 2)KATP-channel blockade promotes spontaneous VF termination by attenuating spatiotemporal dispersion of refractoriness(ΔERP). Methods and Results: Electric mapping of control(n=6) and treatment(n=9) (10 μmol/L glibenclamide) isolated human cardiomyopathic hearts was performed. Spontaneous defibrillation and KATP-subunit gene expression were studied. Spontaneous VF termination occurred in 1/6 control and 7/8 treated hearts (P=0.026). After 180 seconds of ischemia, LV transmural dispersion in VF cycle length was observed(p=0.001), which was attenuated by glibenclamide. There was greater gene expression of all KATP-subunit on the endocardium compared with the epicardium(P<0.02). In ischemic rat heart model, ΔERP was verified with pacing protocols (36±5ms vs 4.9±4ms, p=0.019). Conclusions: KATP channel subunit gene expression is heterogeneously altered in the cardiomyopathic human heart. Blockade of KATP channels promotes spontaneous defibrillation by attenuating ischemia-dependent ΔERP during VF.

Background: Modulation of ischemia-dependent pathways alters electrophysiological evolution of ventricular fibrillation(VF). Hypothesis: 1)There is regional disease-related expression of KATP-channels in human cardiomyopathic hearts. 2)KATP-channel blockade promotes spontaneous VF termination by attenuating spatiotemporal dispersion of refractoriness(ΔERP). Methods and Results: Electric mapping of control(n=6) and treatment(n=9) (10 μmol/L glibenclamide) isolated human cardiomyopathic hearts was performed. Spontaneous defibrillation and KATP-subunit gene expression were studied. Spontaneous VF termination occurred in 1/6 control and 7/8 treated hearts (P=0.026). After 180 seconds of ischemia, LV transmural dispersion in VF cycle length was observed(p=0.001), which was attenuated by glibenclamide. There was greater gene expression of all KATP-subunit on the endocardium compared with the epicardium(P<0.02). In ischemic rat heart model, ΔERP was verified with pacing protocols (36±5ms vs 4.9±4ms, p=0.019). Conclusions: KATP channel subunit gene expression is heterogeneously altered in the cardiomyopathic human heart. Blockade of KATP channels promotes spontaneous defibrillation by attenuating ischemia-dependent ΔERP during VF.

Les canaux potassiques sensibles à l'ATP (K-ATP) jouent un rôle fondamental au sein de la cellule, puisqu'ils ajustent le potentiel de membrane en fonction de l'état métabolique. Ils combinent deux types de protéines: le récepteur des Sulfonylurée (SUR), protéine régulatrice faisant partie des transporteurs ABC, et le canal potassique rectifiant entrant Kir6. Elles s'associent en formant un hétérooctamère (4 SUR/4 Kir6) d'une taille de ~ 1MDa. A l'heure actuelle, l'unique structure disponible de ce complexe est une structure basse-résolution de 18 Å qui ne permet pas de visualiser correctement l'arrangement des différentes sous-unités. Le but principal de ce projet de thèse était d'obtenir des informations à la fois structurales et fonctionnelles sur le couplage entre Kir6.2 et SUR.Il existe 2 isoformes du Kir6 humain (Kir6.1 et 6.2) et 3 isoformes de SUR : SUR1, principalement exprimée avec Kir6.2 dans les cellules β pancréatiques et les neurones ; SUR2A, très abondante avec Kir6.1 dans les muscles cardiaques et squelettiques ; et SUR2B, présent avec Kir6.1 au niveau des muscles lisses. La façon dont SUR est capable de moduler l'ouverture du canal en réponse à la fixation d'un ligand est encore mal comprise.Au sein du canal K-ATP, SUR a un rôle de modulateur du gating de Kir6.2. Il a été montré que trois résidus (E1305, I1910, L1313) dans SUR2A, étaient impliqués dans la « voie d'activation » liant la fixation d'un ligand sur SUR2A et l'ouverture du canal Kir6. Afin d'examiner le rôle des résidus correspondants au sein de SUR1, nous avons réalisé des chimères entre SUR1 et le transporteur ABC MRP1 (qui n'interagit pas avec Kir6.2) et utilisé la technique du patch-clamp pour évaluer leur fonctionnalité. Nos résultats ont montré que les mêmes résidus au sein de SUR1 et SUR2A sont impliqués dans l'association fonctionnelle avec Kir6.2, mais que les spécificités au niveau de la chaine latérale pourraient expliquer les propriétés propres aux canaux pancréatiques et cardiaques. En effet, dans le pancréas, les canaux SUR1/Kir6.2 sont partiellement actifs au repos tandis que les canaux SUR2A/Kir6.2 du cœur sont principalement fermés. Cette spécificité peut être expliquée par les interactions spécifiques de SUR1 et SUR2A avec Kir6.2.La participation du canal Kir6.2 dans le couplage avec SUR ne peut être facilement étudiée puisque la région allant du N-terminal de Kir6.2 jusqu'à sa première hélice est physiquement associée à SUR. Des mutations à ce niveau pourraient affecter à la fois l'interaction physique et fonctionnelle avec SUR. Pour passer outre cet obstacle, nous avons utilisé la technologie ICCR développée dans notre laboratoire. Les ICCRs sont des protéines artificielles créées par couplage physique du C-terminal d'un RCPG au N-terminal de Kir6.2. Cette technologie permet l'étude de la fonction du N-ter de Kir6.2 puisque la fusion entre le RCPG et le canal assure une association fonctionnelle : le signal électrique généré par le canal ionique est directement lié à la fixation du ligand sur le RCPG. Le domaine reliant les deux protéines est essentiel pour la fonction de l'ICCR et sa longueur affecte la régulation du canal. De façon intéressante, deux ICCRs de même longueur mais ayant 9 résidus de différence présentent deux phénotypes différents : un fonctionnel, un inactif. L'ICCR inatif est caractérisé par la perte des résidus 26 à 34 du N-ter contenant 5 arginines. Nous avons réalisé la cartographie fonctionnelle de ces résidus essentiels pour la régulation de Kir6.2. Successivement, nous avons effectué les mêmes mutations d'arginines au sein du canal naturel K-ATP, mais n'avons pas observé de différence entre le canal muté et sauvage. Ces résultats suggèrent qu'il existe au moins deux voie de régulation pour le gating de Kir6.2 : une via les arginines du N-ter (utilisé par les RCPGs) et l'autre, toujours inconnue, utilisée par SUR. / ATP-sensitive potassium (K-ATP) channels play a key role in adjusting the membrane potential to the metabolic state of cells. They result from the unique combination of two proteins: the SulfonylUrea Receptor (SUR), a protein of the ABC transporters family, and the inward rectifier K+ channel Kir6. Both subunits associate to form a heterooctamer (4 SUR/4 Kir6) of ~ 1MDa. A high-resolution structure of the complex is still missing. To date, only a 18 Å structure of the full complex is available. Unfortunately, the low resolution prevent visualization of subunits arrangement. This PhD project aimed at obtaining structural and functional information on the functional coupling between Kir6.2 and SUR. Structural studies are still in progress.While 2 isoforms of the human Kir6 protein exists (Kir6.1 and 6.2), 3 isoforms of the SUR protein are known: SUR1, mostly expressed in pancreatic β-cells and neurons mainly with Kir6.2, SUR2A, abundant in cardiac and skeletal muscle mainly with Kir6.2, and SUR2B, found in smooth muscle mostly with Kir6.1. How SUR modulates channel gating in response to the binding of ligands is still poorly understood.The SUR protein belongs to a family of transporters but in K-ATP works as a gating modulator. How a 'transporter' modulate Kir6 gating? In SUR2A three residues (E1305, I1310, L1313) were found to be implicated in the ‘activation pathway' linking binding of openers to SUR2A and channel opening. To examine the role of the matching residues in the SUR1 isoform, we designed chimeras between SUR1 and the ABC transporter MRP1 (which does not interact with Kir6.2), and used patch clamp to assess the functionality of SUR1/MRP1 K-ATP chimeric channels. Our results reveal that the same residues in SUR1 and SUR2A are involved in the functional association with Kir6.2, but they display side-chain specificities that could account for the contrasted properties of pancreatic and cardiac K-ATP channels. In fact, in pancreas, SUR1/Kir6.2 channels are partly active at rest while in cardiomyocytes SUR2A/Kir6.2 channels are mostly closed. This divergence of function could be related to differences in the interaction of SUR1 and SUR2A with Kir6.2.The participation of the Kir6.2 channel in the coupling with SUR cannot be easily studied, as the region spanning from Kir6.2 N-terminal to its first helix is in thigh physical association with SUR. Mutations at this level could affect both physical and functional interaction with the regulatory subunit. To overcome this obstacle we used the ICCR technology developed in our laboratory. ICCRs are artificial proteins created by physical and functional linkage of a GPCR C-terminus to the Kir6.2 N-terminus. ICCRs provide a unique method to study the function of the Kir6.2 channel N-terminal, as the fusion between GPCR and channel ensure physical association. In ICCRs the electrical signal generated by the ion channel is directly linked to ligand binding on the GPCR. The domain linking GPCR and channel is crucial for ICCR function and its length affects channel regulation. Interestingly, two ICCRs, having identical linker length but nine residues differences at the fusion point, showed different phenotypes: one functional, one inactive (no channel regulation). The inactive ICCR is characterized by the lack of residues 26 to 34 in the channel N-terminus containing 5 arginines. We functionally mapped these arginines and identify specific residues essential for Kir6.2 regulation. Successively, we transferred this knowledge to the K-ATP mutating the previously found essential arginines. Here, we did not observe any change compared to wild-type channels. This result suggest that there are at least two ways to modulate Kir6.2 gating: one through the arginines in the N-terminal (used by the GPCR) and another, still unknown, used by SUR.

Hydrogen sulfide (H2S) reduces ischemia reperfusion (IR) injury by stimulating adenosine triphosphate (ATP) sensitive potassium channels (KATP) [1-5]. Demonstrating H2S stimulation is unique to KATP, as other inwardly rectifying potassium (Kir) channels demonstrate inhibition or are unaffected [6]. We recently showed that H2S inhibits Kir2 and Kir3 by decreasing channel sensitivity to phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PI(4,5)P2 or PIP2) [6]. Here, we test the hypothesis that H2S regulation of Kir6.2, a pore-forming subunit of the KATP channel, is also dependent on PIP2. Using whole-cell patch-clamp we show that H2S increases the activity of Kir6.2 channels expressed in HEK-293 cells. To study the mechanism, we modulated PIP2 levels by expressing a light- activated phosphatase, or by including high levels of a water-soluble PIP2 analog in the patch pipette. The results suggest that H2S augmentation of Kir6.2 channel activity is increased when PIP2 levels are elevated.

Le canal KATP résulte de l'assemblage d'un canal potassique inhibé par l'ATP intracellulaire (Kir6.2) et d'un transporteur<br />ABC, le récepteur des sulfonylurées (SUR) de la famille MRP/ABCC. SUR a un rôle régulateur essentiel : il confère au<br />canal une sensibilité accrue à l'inhibition par l'ATP, provoque son activation lorsque l'ADP augmente, et est la cible des<br />activateurs et bloqueurs pharmacologiques du canal.<br />Nous nous sommes intéressés à divers aspects structure/fonction de SUR en tant que modèle de transporteur ABC<br />eucaryote. Son couplage naturel à un canal ionique en facilite grandement l'étude grâce à la technique<br />électrophysiologique du patch-clamp.<br />La poursuite des travaux pour déterminer la nature moléculaire de la sélectivité des isoformes de SUR aux ouvreurs<br />pharmacologiques nous a permis de conclure que seul le faible encombrement de la Thr1253 de SUR2A, contre la Met<br />1290 de SUR1, serait le critère important pour l'activation pharmacologique des canaux KATP.<br />Nos travaux ont ensuite porté sur un domaine de la sous-unité SUR riche en acides aminés chargés négativement<br />(succession de 15 résidus glutamates ou aspartates) qui s'est avéré ne pas être impliquée dans la fonction du canal dans<br />notre système d'expression.<br />Nous avons étudié l'effet des ions Zn2+ et Cd2+ intracellulaires sur les canaux KATP et montré que ces ions peuvent activer<br />les canaux via leur liaison à SUR. Ce site de liaison reste encore à déterminer.<br />Nous avons enfin essayé de comprendre le rôle de chacun des domaines de liaison des nucléotides et nous avons pour cela<br />conçu des protéines SUR2A possédant des NBD identiques (NBD1-NBD1 et NBD2-NBD2) ou inversés (NBD2-NBD1).<br />Nos résultats suggèrent que (1) les NBD sont interchangeables (2) l'activation pas le Mg-ADP requiert les deux NBD (3)<br />l'action des ouvreurs est indépendante du NBD2.

Stroke causes CNS injury associated with strong fast microglial activation as part of the inflammatory response. Fast activation of microglia in response to neuronal damage requires the rapid availability of a large amount of energy to trigger diverse cytotoxic or neuroprotective signals. ATP-dependent potassium (K(ATP)) channels play important roles in many cellular functions by coupling cell metabolism to electrical activity. K(ATP) channels were first detected in cardiac myocytes and later found in beta-cells of the pancreas, skeletal muscle, neurons, smooth muscle, heart, pituitary, and tubular cells of the kidney. Our group and others have also demonstrated its expression in reactive microglia after brain injury. In rat models of stroke, blockade of the sulfonylurea receptor (SUR), with glibenclamide (Gbc) reduced cerebral edema and infarct volume. Furthermore, clinical data suggest the effectiveness of Gbc to treat stroke. Gbc close the K(ATP) channel by interaction with two drug-binding sites on SUR subunits, as well as, the astroglial NC(Ca-ATP) channel, which mediates the Gbc-induced prevention of edema after cerebral ischemia. In these studies however, the function of the K(ATP) channel remained unclear. Therefore, as Gbc may bind to constitute functional K(ATP) channels after ischemic stroke, other possible effects of Gbc might explain the effectiveness of this drug in the treatment of stroke. Giving the fact that, SUR1-regulated channels are exquisitely sensitive to changes in the metabolic state of the cell, and that microglia are sensing the environment, the expression of K(ATP) channels in activated microglia, will couple cell energy to membrane potential. We herein postulate, that the effectiveness of Gbc to treat stoke, at least in part, is caused by the KATP channel closure expressed by activated microglia, which may then be critical in determining, their participation in the pathogenic process. Given the analogy with beta-cells, K(ATP) channel blockade in microglia would response faster and more efficiently to the external signals released after brain injury. If true, blockade of microglial K(ATP) channel with low doses of Gbc during the early stages of stroke might foster neuroprotective microglial activity, could enhance ischemia-induced neurogenesis in the SVZ, and consequently will lead to an improved functional outcome. The work presented in this thesis demonstrates that, Gbc improves functional neurological outcome in stroke, accompanied by neuron preservation in the core of the ischemic brain. In this region, reactive microglia from tMCAO rats upregulate the K(ATP) channel, which makes microglia a target to Gbc actions in the early stages of stroke. Furthermore, Gbc also strengthens the neuroprotective role of microglia in the acute phase after focal cerebral ischemia, enhance long-term neurogenesis and brain repair processes. As such, identify microglial K(ATP) channels as a key target for stroke treatment. Overall, these results provide new therapeutic avenues for the treatment of other neurological disorders that involve microglia.

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Parmi les différents types de canaux ioniques, les canaux potassium (K+) sont très largement exprimés au niveau des cellules eucaryotes. Ils se répartissent en plusieurs familles et sous-familles. Parmi celles-ci, les canaux K+ ATP-dépendants (KATP) représentent une classe tout à fait particulière. En effet, ils ont la particularité d’être sensibles à la concentration cytosolique d’ATP et permettent ainsi de coupler le potentiel membranaire de la cellule à son statut métabolique.<p>Le canal KATP est un complexe hétéro-octamérique constitué de 2 sous-unités :une sous-unité Kir6.x (Kir6.1 ou Kir6.2) formant le pore du canal et appartenant à la famille des canaux potassiques de type « inward rectifier », et une sous-unité régulatrice SURx (SUR 1 ou SUR2A/B) faisant partie des protéines ABC (ATP-binding cassette). L’expression hétérologue des sous-unités Kir6.x et SURx suivant différentes combinaisons conduit à la formation de plusieurs types de canaux KATP possédant des propriétés électro-physiologiques et des sensibilités aux nucléotides et aux agents pharmacologiques distinctes. \ / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished