KCNE-Hilfsuntereinheiten assoziieren mit Spannungs-abhängigen K+-Kanälen und verändern dadurch deren subzelluläre Lokalisation, Regulation sowie deren biophysikalische Eigenschaften. Bei heterologer Expression interagiert KCNE3 mit mehreren Poren-bildenden K+-Kanal-Hauptuntereinheiten, deren Ströme dadurch stark modifiziert werden. Aufgrund dieser in vitro-Experimente wurden verschiedenste Funktionen von KCNE3 in den verschiedenen Geweben, wie Gehirn, Herz, Muskel, Kolon und Niere, vermutet. Außerdem wurden Variationen im kcne3-Gen mit menschlichen Skelettmuskelpathologien in Verbindung gesetzt (Abbott et al. 2001). In der gegenwärtigen Literatur wird die physiologische Funktion von KCNE3 eher als komplex und heterogen dargestellt. Auch die direkte Beteiligung von KCNE3 an Krankheiten ist immer noch spekulativ. Zur Untersuchung der physiologischen Funktion von KCNE3 in vivo sowie der potentiellen Rolle bei Krankheiten generierten wir ein kcne3-/- Mausmodell. Die vorliegende Arbeit unterstützt die kritische Rolle der KCNQ1/KCNE3-Kanäle beim Salz- und Flüssigkeitstransport über intestinale und respiratorische Epithelien. Insbesondere fanden wir für die KCNQ1/KCNE3-Heteromere eine basolaterale Lokalisation in Darm- und Trachea-Epithelzellen, wo sie die transepitheliale Cl--Sekretion über basolaterales Recycling von K+-Ionen sowie über Erhöhung der elektrochemischen Triebkraft für apikalen Cl--Austritt fördern. Da weder Veränderungen in der KCNQ1-Expressionsmenge noch in dessen subzellulärer Lokalisation festgestellt wurden, ist die durch KCNE3 verursachte Modifikation der KCNQ1-Kanaleigenschaften essenziell für die hier beschriebene physiologische Rolle im Intestinal- und Trachealtransport. Ferner wird von unserer Arbeit die postulierte Funktion von KCNE3-Heteromeren im Skelettmuskel, Herz und zentralen Nervensystem nicht unterstützt und erweckt somit erhebliche Zweifel über den Beitrag von KCNE3 zu menschlichen Krankheiten, die mit diesen Organen in Verbindung stehen. / When overexpressed in heterologous systems, KCNE3 is able to interact with several pore-forming K+ channel alpha subunits greatly modifying their currents. Based on these in vitro evidences, KCNE3 has been proposed to serve different roles in multiple tissues, including brain, heart, muscle, colon and kidney. Additional reports have also linked sequence variations in the KCNE3 gene to cardiac and skeletal muscle pathologies in human. Based on the literature, the overall picture of KCNE3 physiological function is rather complex and heterogeneous, and its direct involvement in pathologies is still speculative and far from being conclusively proven. In order to study the physiological role of KCNE3 in vivo and to address its potential pathological implications, we generated kcne3-/- mice. The present analysis of kcne3-/- mice strongly supports a crucial role of KCNQ1/KCNE3 channels in salt- and fluid secretion across intestinal and airway epithelia. In particular, we found that KCNQ1/KCNE3 heteromers are present in basolateral membranes of intestinal and tracheal epithelial cells where they facilitate transepithelial Cl- secretion through basolateral recycling of K+ ions and by increasing the electrochemical driving force for apical Cl- exit. Because the abundance and subcellular localization of KCNQ1 was unchanged in kcne3-/- mice, the modification of biophysical properties of KCNQ1 by KCNE3 is essential for its role in intestinal and tracheal transport. In addition, our work does not support the postulated role of KCNE3 heteromers in skeletal muscle, heart and CNS physiology, and raises considerable doubts concerning its implication in human pathologies which affect these tissues.

Dans mon projet de doctorat, j’ai étudié des fonctions primordiales de l’épithélium respiratoire telles que la régulation du transport ionique, la clairance liquidienne et la réparation épithéliale. J’ai particulièrement mis l’emphase sur le rôle des canaux potassiques qui interviennent dans ces trois fonctions de l’épithélium respiratoire. J’ai tout d’abord prouvé que la modulation des canaux potassiques régulait l’activité du promoteur de αENaC, en partie via la voie de signalisation ERK1/2, dans des cellules alvéolaires. Cette régulation entraîne une variation de l’expression génique et protéique du canal ENaC. Physiologiquement, il en résulte une augmentation du phénomène de clairance liquidienne suite à l’activation des canaux K+, tandis que l’inhibition de ces canaux la diminue sévèrement. J’ai aussi pu démontrer que l’absence de canal KvLQT1 entraînait une diminution du courant (ENaC) sensible à l’amiloride, dans les cellules de trachée en culture primaire, isolées de souris KO pour kcnq1. Dans la seconde partie de mon étude, j’ai évalué l’impact de l’hyperglycémie sur la capacité de transport ionique et de réparation de cellules épithéliales bronchiques saines ou Fibrose Kystique. Mes résultats montrent que l’hyperglycémie diminue le transport transépithélial de chlore et le transport basolatéral de potassium. Des études préalables du laboratoire ayant montré que les canaux K+ et Cl- contrôlent les processus de réparation, j’ai donc évalué si ceux-ci étaient modifiés par l’hyperglycémie. Et en effet, l’hyperglycémie ralentit la vitesse de réparation des cellules issues des voies aériennes (CFBE-wt et CFBE-ΔF508). J’ai donc démontré que le transport de potassium intervenait dans des fonctions clés de l’épithélium respiratoire, comme dans la régulation génique de canaux ioniques, le contrôle de la clairance liquidienne alvéolaire, et que l’hyperglycémie diminuait le transport ionique (K+ et Cl-) et la réparation épithéliale. / During my Ph.D. training, I studied 3 important functions of respiratory epithelium : regulation of ion transport, liquid clearance and epithelial repair. I focused on potassium channels, because they control these three respiratory epithelial functions. First, I proved that αENaC promoter activity was regulated following K+ channel modulation, in alveolar cells. This regulation of αENaC promoter which might be through a modification of ERK1/2 phosphorylation, was followed by ENaC mRNA and protein expression regulation. I then showed that activation of KvLQT1 and KATP channels increased alveolar liquid clearance, whereas inhibition of these K+ channels decreased the alveolar clearance. I showed that the absence of KvLQT1 channel inhibited the amiloride-sensitive current (ENaC), in tracheal epithelial cells isolated from KvLQT1-KO mice. In the second part of my Ph.D. project, I studied the impact of hyperglycemia on Cystic Fibrosis (CF) and non-CF epithelial cells. I first observed that K+ and Cl- currents were reduced by hyperglycemia. Because we have previously shown that wound-healing process was dependant on K+ and Cl- channels, I then evaluated the impact of hyperglycemia on wound-healing. As expected, hyperglycemia slowed the repair rate of non-CF (CFBE-wt) and CF (CFBE-ΔF508) cell monolayers.

Le syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) est caractérisé par des dommages au niveau de la barrière alvéolo-capillaire, résultant en la formation d’un œdème pulmonaire et une réponse inflammatoire exacerbée. Sans résolution rapide de ces paramètres, le syndrome progresse vers le développement de fibrose menant à l’insuffisance respiratoire. Or, il a été établi que la réparation de l’épithélium alvéolaire est une étape cruciale pour la résolution du SDRA. Une meilleure compréhension des mécanismes de réparation de l’épithélium alvéolaire est donc nécessaire afin de proposer de nouvelles thérapies pour le SDRA, pour lequel aucun traitement efficace n’existe. Il a été montré que les mécanismes de réparation sont régulés par des protéines membranaires, non seulement par les récepteurs aux facteurs de croissance et les intégrines, mais également par les canaux ioniques, en particulier les canaux potassiques. L’objectif principal de cette étude était donc de caractériser l’impact de la modulation des canaux potassiques KCa3.1 et KvLQT1 dans la résolution du SDRA. Dans un premier temps, nos résultats ont montré le rôle coopératif du canal potassique KCa3.1, de la matrice extracellulaire et de l’intégrine-β1 dans les processus de réparation de l’épithélium alvéolaire in vitro. Nous avons montré que la matrice de fibronectine et le KCa3.1 étaient impliqués dans la migration et dans la réparation de monocouches de cellules alvéolaires de cultures primaires de rat. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l’impact de la modulation du canal potassique KvLQT1 dans certains aspects physiopathologiques du SDRA à l’aide de modèles in vivo. Nous avons montré que KvLQT1 n’était pas seulement impliqué dans les mécanismes de réparation de l’épithélium alvéolaire, mais également dans la résorption de l’œdème pulmonaire et la résolution de la réponse inflammatoire. Nos résultats démontrent que les canaux potassiques, tels que KCa3.1 et KvLQT1, pourraient être identifiés en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le SDRA. / Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is characterized by alveolar-capillary barrier damage, resulting in the formation of pulmonary oedema and an exacerbated inflammatory response. Without rapid recovery of these parameters, there is a gradual development of fibrosis, leading to respiratory failure. It has been established that alveolar regeneration is a critical step for the resolution of ARDS. A better understanding of alveolar epithelial repair mechanisms is hence necessary to identify new therapies for ARDS, for which no effective treatment exist. It has been shown that repair mechanisms are regulated by membrane proteins, not only by growth factor receptors and integrins, but also by ion channels, in particular potassium channels. Therefore, the main objective of this study was to characterize the impact of KCa3.1 and KvLQT1 potassium channels modulation in the resolution of ARDS. First, our results have shown the cooperative role of the potassium channel KCa3.1, the extracellular matrix and the β1-integrin in alveolar epithelial repair processes in vitro. We have shown that the fibronectin matrix and KCa3.1 are involved in the migration and repair of primary cultures of rat alveolar cell monolayers. Our data also revealed a putative relationship between Kca3.1 and the β1-integrin. Second, we studied the impact of KvLQT1 potassium channel modulation on ARDS pathophysiological aspects with in vivo models. We showed that KvLQT1 was not only involved in alveolar epithelial repair, but also in the resolution of pulmonary oedema and inflammatory response. Taken together, our data demonstrate that potassium channels, such as KCa3.1 and KvLQT1, may be identified as potential therapeutic targets for the resolution of ARDS.