Eine optimale Regulation der Koronardurchblutung ist für die Aufrechterhaltung der kardialen Pumpfunktion und damit der systemischen Perfusion von größter Bedeutung. Da Einschränkungen der Durchblutungszunahme des Herzmuskels Einschränkungen des maximalen myokardialen Sauerstoffverbrauchs und damit der Herzleistung zur Folge haben, ist es notwendig, die Koronardurchblutung kurzfristig an die jeweilige Stoffwechsellage des Herzens anzupassen (metabolische Koronarflussregulation). Die lokal-metabolischen Mechanismen gehören zu den wirksamsten Komponenten der Regulation der myokardialen Durchblutung und funktionieren auch am isolierten (denervierten) Herz. Dabei ist die hyperkapnie- und azidoseinduzierte Koronardilatation ein wesentlicher Bestandteil der metabolischen Koronarflussregulation. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Hypothese der Abhängikeit der hyperkapnieinduzierten Koronardilatation von einer intakten NO-Produktion. Das Koronarsystem des isolierten WT-Mausherzens reagiert auf akute Hyperkapnie (91 % O2, 9 % CO2) mit einer deutlichen Koronarflusssteigerung von ca. 35 % über dem Basalfluss.Es konnte gezeigt werden das Stickstoffmonoxid (NO) und ATP-abhängige Kaliumkanäle (K+ATP-Kanäle) für die Koronarflussregulation der Maus eine ausschlagebende Rolle spielen und neben der Aufrechterhaltung des Basalflusses auch an der Vermittlung der hyperkapnieinduzierten Koronardilatation maßgeblich beteiligt sind.Interessanterweise ist bei einem Fehlen der endothelialen NO-Synthase durch genetischen Knockout die hyperkapnieinduzierte Flussantwort in Kinetik und Ausmaß vollständig erhalten. Die Vermittlung kann dabei durch andere Mechanismen kompensiert werden, wie zum Beispiel einer verstärkten Aktivität der K+ATP-Kanäle. Prostaglandine und neuronale NO-Synthase scheinen sowohl beim Wildtypherzen als auch bei Herzen mit fehlender NO-Synthase für die hyperkapnieinduzierte Koronardilatation von untergeordneter Bedeutung. Nach chronischer pharmakologischer Blockade der NO-Synthase durch zweiwöchige L-NAME Tränkung bleibt die hyperkapnieinduzierte Koronardilatation erhalten durch NOS-unabhängige Mechanismen. Die hyperkapnieinduzierte Flussantwort ist bei Herzen von weiblichen eNOSKO Tieren vorhanden, erscheint jedoch gegenüber den männlichen Mäusen geringer ausgeprägt. Daher wird vermutet, dass die Mediatorsysteme der endothelabhängigen Koronarflussregulation geschlechtsspezifisch bzw. geschlechtsabhängig sind.

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Endocytic trafficking dynamically regulates neuronal plasma membrane protein presentation and activity, and plays a central role in excitability and plasticity. Over the course of my dissertation research I investigated endocytic mechanisms regulating two neuronal membrane proteins: the anesthetic-activated potassium leak channel, KCNK3, as well as the psychostimulant-sensitive dopamine transporter (DAT). My results indicate that KCNK3 internalizes in response to Protein Kinase C (PKC) activation, using a novel pathway that requires the phosphoserine binding protein, 14-3-3β, and demonstrates for the first time regulated KCNK3 channel trafficking in neurons. Additionally, PKC-mediated KCNK3 trafficking requires a non-canonical endocytic motif, which is shared exclusively between KCNK3 and sodium-dependent neurotransmitter transporters, such as DAT. DAT trafficking studies in intact ex vivo adult striatal slices indicate that DAT endocytic trafficking has both dynamin-dependent and –independent components. Moreover, DAT segregates into two populations at the neuronal plasma membrane: trafficking-competent and -incompetent. Taken together, these results demonstrate that novel, non-classical endocytic mechanisms dynamically control the plasma membrane presentation of these two important neuronal proteins.

Master of Science / Department of Anatomy and Physiology / Bruce D. Schultz / Epithelial cells lining the vas deferens modify the luminal contents to which sperm are exposed in response to neuroendocrine, autocrine and lumicrine transmitters. The role and identity of vas deferens epithelial potassium channels that provide the correct luminal environment for sperm maturation and delivery have not yet been determined. Cultures of vas deferens epithelial cells isolated from adult pigs were employed to investigate contributions of selected ion channels to net flux. A two-pore potassium channel, TASK-2, was identified on the apical membrane of cultured primary porcine vas deferens epithelial cells (1°PVD). Bupivacaine, a known TASK-2 inhibitor, when added to the apical bathing solution, inhibited forskolin- stimulated short circuit current, Isc, in a concentration dependent manner with a maximum inhibition of 72 ± 6% and an IC50 of 7.4 ± 2.2 µM. Apical exposure of 1°PVD cells to quinidine, lidocaine, and clofilium (other known TASK-2 blockers) inhibited forskolin-stimulated Isc in a concentration dependent manner. Fitting a modified Michalis-Menten function to the data revealed IC50 values of 274 µM, 531 µM, and 925 µM, respectively. Riluzole, a two-pore potassium channel activator, stimulated bupivacaine-sensitive Isc, further confirming the contribution of TASK-2 to net ion flux. Western blotting demonstrated the presence of TASK-2 immunoreactivity in 1°PVD cell lysates, while immunocytochemistry demonstrated apical localization of the targeted epitope in virtually all cells lining native porcine vas deferens. These results suggest that TASK-2 likely plays a role in vas deferens epithelial ion transport that may account for the reportedly high concentration of potassium in the male reproductive duct lumen. TASK-2 likely contributes to male fertility as an integral member of the regulated transport processes that account for the luminal environment to which sperm are exposed.

Le but de cette étude était d'élucider les mécanismes biochimiques qui régulent les canaux K$\sp+$ de type (GK$\rm\sb{Ca}),$ impliqués dans le contrôle du tonus des muscles lisses des voies respiratoires (MLVR). Des mesures pharmacologiques ont permis de démontrer que le 3-morpholino-sydnonimine (SIN-1) relaxe des fragments de bronches de rat précontractées par 0.2 $\mu$M carbachol, de façon concentration-dépendante. Par contre, lorsque la contribution de la conductance potassique (GK) est éliminée, en présence de 135 mM KCl dans le milieu extracellulaire ou lorsque la guanylate cyclase soluble (GCs) est inhibée par 10 $\mu$M de bleu de méthylène (BM), l'effet relaxant du SIN-1 est moins efficace, ce qui suggère que le monoxyde d'azote (NO$\sp\cdot)\sp*$ pourrait activer plusieurs effecteurs pour induire son effet relaxant via deux voies: une voie dépendante du GMPc et une autre qui serait indépendante de ce messager. Un autre objectif envisagé était de démontrer que le NO avait un effet relaxant indépendant du GMPc, et qu'il pourrait être dû, en partie, à une activation directe des GK$\rm\sb{Ca}.$ Les tests pharmacologiques montrent que 100 nM de charybdotoxine (ChTX), un inhibiteur spécifique des GK$\rm\sb{Ca},$ changent la sensibilité des MLVR au SIN-1 lorsque la GCs est inhibée, ce qui indique que les GK$\rm\sb{Ca}$ pourraient être activées directement par le NO. Ces résultats ont été confirmés au niveau moléculaire, suite à la reconstitution des canaux dans les BLP. Le SIN-1 (NO), mais pas ses métabolites, active les GK$\rm\sb{Ca}$ avec une EC$\sb{50}$ évaluée à 30 $\mu$M SIN-1. Afin de vérifier le mode d'activation direct des GK$\rm\sb{Ca}$ par le NO, des expériences ont été réalisées en présence de 5 mM DTT, un agent réducteur qui empêche le NO d'activer les GK$\rm\sb{Ca},$ seulement lorsqu'il est ajouté du côté intracytoplasmique (trans) du canal. Ces résultats tendent à prouver que l'activation directe des GK$\rm\sb{Ca}$ des MLVR, résulterait d'une interaction du NO avec les groupements des chaînes latérales d'acides aminés, situés sur les boucles intracellulaires de la sous-unité $\alpha,$ selon un mécanisme de nitrosylation**. En revanche, le DTT n'est plus capable de renverser l'effet du NO, ce qui suggère l'implication de d'autres groupements autres que les SH avec lesquels interagit le NO. En conclusion, cette étude a permis de montrer, pour la première fois, que le NO pourrait augmenter la P$\rm\sb{o}$ des canaux K$\sp+$ de type GK$\rm\sb{Ca}$ des MLVR par un mécanisme indirect (phosphorylation) catalysée par la PKG en présence du GMPc et par une interaction directe (nitrosylation) avec la sous-unité $\alpha$ du canal, sans altérer la conductance ni la sensibilité du canal au Ca$\sp{2+}$ et au voltage, ce qui fait de ce type de canal un effecteur sensible et efficace dans le contrôle de la relaxation des MLVR Le NO dans un milieu biologique se trouve dans un état radicalaire NO actif. $\sp{**}$nitrosylation est un terme qui désigne l'interaction covalente entre le NO et les groupements SH des protéines. [Symboles non conformes]

Inwardly rectifying potassium (Kir) channels are essential for controlling the excitability of eukaryotic cells, forming a key part of the inter-cellular signalling system in multi-cellular organisms. However, as prokaryotic (KirBac) channels are less technically challenging to study in vitro and have been shown to be directly homologous to eukaryotic channels, they are often studied in lieu of their mammalian counterparts. A vital feature of Kir and KirBac channels is their mechanism for opening and closing, or their gating: this study predominantly features observations of open and/or closed channel populations. A well-characterised member of the KirBac family, KirBac1.1, has been successfully expressed, purified into detergent micelles, and doubly labelled with fluorescent maleimide dyes in order to enable observation of confocal-in-solution Förster Resonance Energy Transfer (FRET) at the single molecule level. Results demonstrate single-molecule FRET signals from KirBac1.1 and therefore represent the first single-molecule FRET observations from a KirBac channel. Perturbation of the open-closed dynamic equilibrium was performed via activatory point mutations, changes in pH, and ligand binding. A protocol for reconstitution into nanodiscs was optimised in order to more closely approximate native conditions, and the single-molecule FRET observations repeated. This thesis presents a comparison between measurements made using the detergent solubilisation system and those made using nanodiscs.

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+. / The Ca2+ sensitivity of the voltage-insensitive calcium activated potassium channel of intermediate conductance KCa3.1 is conferred by calmodulin (CaM) constitutively bound to the membrane-proximal region of the channel intracellular C-terminus. A study was performed to investigate the nature of the residues involved in the CaM/KCa3.1 interactions and determine how these interactions could modulate the channel gating properties. A 3D-structure of the KCa3.1/CaM complex was first generated by homology modeling with MODELLER using as template the crystal structure of SK2.2/CaM complex (PDB: 1G4Y). The resulting structural model of KCa3.1 plus CaM predicts that the segment L361-S372 in KCa3.1 should be responsible for the Ca2+-dependent binding of the channel to the CaM-N lobe, with residues L361 and Q364 facing residues E45, E47 and D50 of CaM. To test this model residues in L361-S372 segment were substituted by Cys and the action of MTSET+ (positive charged) and MTSACE (neutral charged) measured on channel activity. Inside-out patch clamp recordings showed that the binding of the charged MTSET+ reagent to the Q364C mutant resulted in a strong current increase, an effect not seen with the neutral MTSACE. The mutations E45A and E47A in CaM prevented the current increase initiated by MTSET+ on the Q364C mutant. A single channel analysis confirmed that the binding of MTSET+ to Q364C caused an increase in the channel open probability by a destabilization of the channel closed state. Altogether, our results are compatible with the formation of ionic bonds between the positively charged Cys-MTSET+ complex at position 364 in KCa3.1 and the negatively charged E45 and E47 residues in CaM, and confirm that an electrostatic stabilization of the CaM/KCa3.1 interactions can lead to an increase in the channel open probability at saturating Ca2+.

No Brasil, a espécie Tityus serrulatus (Ts) é a responsável pela maioria dos acidentes de envenenamento com escorpiões, bem como pela maior incidência de acidentes ocasionados por animais peçonhentos. Isso ocorre devido ao fato desta espécie possuir somente fêmeas, realizando uma reprodução assexuada (partenogênese), facilitando assim sua proliferação. Atualmente, existem 16 diferentes toxinas descritas provenientes da peçonha de Ts, sendo a Ts1 a mais abundante na peçonha solúvel. Dentre estas toxinas, as neurotoxinas com ação em canais para sódio e potássio são as que despertam maior interesse da comunidade científica, devido aos seus efeitos no envenenamento e especificidades por canais iônicos. As neurotoxinas com ação em canais para potássio são compostas por uma alfa-hélice e três fitas-beta antiparalelas, e são constituídas por 23-43 resíduos de aminoácidos. Essas estão classificadas em quatro famílias (?-, ?-, g- e k-KTx). A família ?-KTx é a de maior relevância e está dividida em 21 subfamílias. Estas toxinas com alta especificidade para diferentes subtipos de canais para sódio e potássio são de extrema importância, pois podem ser utilizadas como ferramentas terapêuticas específicas para células-alvo. Até o momento, nosso grupo realizava o isolamento dessas toxinas utilizando como primeira etapa de purificação a cromatografia da peçonha em coluna de CM-Celulose-52, segundo protocolo descrito por Arantes e colaboradores (1989). O presente trabalho padronizou um novo método de fracionamento inicial da peçonha utilizando a mesma coluna, porém incorporando o uso de CLAE (Cromatografia Liquida de Alta Eficiência), onde foi possível observar um perfil cromatográfico semelhante ao anterior (XIII Frações), porém com maior reprodutibilidade e praticidade. Algumas frações do método anteriormente descrito foram subdivididas em duas (VIA-VIB, VIIIA-VIIIB, IXA-IXB e XIA-XIB), demonstrando que o novo procedimento também apresenta melhor resolução dos componentes da peçonha. Utilizando o novo método, foram purificadas as toxinas Ts6 e Ts7. Os efeitos dessas toxinas foram avaliados em 14 diferentes tipos de canais para potássio (Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.4, Kv1.5, Kv1.6, Kv2.1, Kv3.1, Kv4.3, Kv7.1, Kv7.2, Kv7.4, hERG e Shaker), expressos em células de oócitos de Xenopus laevis, através da técnica de voltage-clamp com dois microeletrodos. A toxina Ts6 (1?M) demonstrou ter ação em 11 tipos de canais (Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.5, Kv1.6, Kv4.3, Kv7.1, Kv7.2, Kv7.4, hERG e Shaker), porém nos canais Kv1.2, Kv1.3 e Shaker sua ação bloqueadora foi mais intensa. Através de experimentos de dose-resposta foi possível comprovar tal seletividade, demonstrando que a toxina Ts6 atua em quantidades extremamente baixas em ambos os canais (IC50 Kv1.2 = 6,19 ± 0,35 nM /IC50 Kv1.3 = 0,55 ± 0,20 nM). A toxina Ts7 (1?M) demonstrou ter ação em 11 tipos de canais para K+ (Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.4 Kv1.5, Kv1.6, Kv2.1, Kv3.1, Kv7.1, hERG e Shaker), porém a ação de bloqueio em vários subtipos de canais não apresentou diferenças significativas, mostrando baixa seletividade entre os canais analisados. Este trabalho foi de Resumo ii extrema importância por melhorar a reprodutibilidade, praticidade e resolução do método de fracionamento da peçonha de Ts, bem como por fornecer uma avaliação eletrofisiológica criteriosa das toxinas Ts6 e Ts7 em diferentes subtipos de canais para potássio. O presente estudo demonstra a potencial aplicação da toxina Ts6, seletiva para canais Kv 1.3, para o tratamento de doenças autoimunes. Além disso, indica o uso das toxinas Ts6 e Ts7 como ferramentas para o estudo de características estruturais e funcionais de canais para potássio. / In Brazil, Tityus serrulatus (Ts) species is the responsible for the most scorpion accidents and also for the major incidence of accidents caused by venomous animals. About 16 different toxins of Ts venom have been listed so far, being Ts1 the major one. Among these toxins, the neurotoxins with action on sodium and potassium channels are the most interest in the scientific community, due to their effect in the envenomation and ion channel specificity. The neurotoxins with action on potassium channels are composed of an ?-helix and three ?-strands formed by 23-43 amino acid residues. They are classified into four families (?-, ?-, g- and ?- KTx). The ?-KTx family is the most relevant and is divided into 21 subfamilies. These toxins with high specificity for different subtypes of sodium and potassium channels are very important, because they can be used as therapeutic tools to specific target cells. Until now, the fractionation of these toxins was done using a CM-Cellulose-52 column, according to the protocol of Arantes and co-workers (1989). The present work standardized a new method of isolation using the same column, but incorporated the use of HPLC (High Performance Liquid Chromatography), in which was observed a chromatographic profile such as the previous one (XIII Fractions), however with high resolution and more practical. Some fraction of the previous method were divided in two subfractions (VIA-VIB, VIIIA-VIIIB, IXA-IXB e XIA-XIB), showing that the new method also present high resolution. Using the new method, it was isolated the Ts6 and Ts7 toxin. The effects of these toxins were evaluated in 14 different types of potassium channels (Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.4, Kv1.5, Kv1.6, Kv2.1, Kv3.1, Kv4.3, Kv7.1, Kv7.2, Kv7.4, hERG and Shaker), which were expressed in Xenopus laevis oocytes using the voltage-clamp technique with twomicroelectrodes. The Ts6 toxin (1?M) shows to act on 11 types of potassium channels (Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.5, Kv1.6, Kv4.3, Kv7.1, Kv7.2, Kv7.4, hERG and Shaker), but the blocking of Kv1.2 and Kv1.3 was significantly more intense. Using dose-response experiments, it was possible to confirm this selectivity, in which Ts6 demonstrates to act in both channels in extremely low quantities (IC50 Kv1.2 = 6,19 ± 0,35 nM /IC50 Kv1.3 = 0,55 ± 0,20 nM). The Ts7 toxin (1?M) shows to act on 11 types of potassium channels (Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.5, Kv1.6, Kv4.3, Kv7.1, Kv7.2, Kv7.4, hERG and Shaker), but the blocking action on multiple subtypes channels showed no significant differences, showing low selectivity among the channels analyzed. This work was important to improve and facilitate the method of fractionation of Ts venom, as well as evaluate the electrophysiology properties of the toxins Ts6 and Ts7 of interacting with different types of potassium channels. These studies will be essential for future applications of these toxins as drugs to treat channelpathies or as tools to study potassium channels structurally and functionally.

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative caractérisée par une perte dopaminergique (DA) de la voie nigro-striée. Cette dégénérescence des neurones DA, induit un déséquilibre entre les transmissions dopaminergique, GABAergique et glutamatergique au sein des ganglions de la base qui se traduit par des troubles de l'excitabilité neuronale aboutissant à l'apparition des symptômes moteurs et non-moteurs. Nous avons étudié l'effet de la modulation des canaux SK et Kv4 par des toxines issues de venins d'animaux. Pour ce faire, nous avons utilisé deux modèles lésionnels à la 6-hydroxydopamine (6-OHDA): une lésion bilatérale partielle du striatum mimant la phase précoce de la MP pour tester les déficits cognitifs et émotionnels, et une lésion unilatérale totale au niveau de la substance noire mimant la rigidité et la bradykinésie en phase tardive pour tester les déficits moteurs. Nos résultats montrent que le blocage des canaux SK par l'apamine (injection systémique, 0.1-0.3 mg/kg) améliore partiellement et transitoirement les déficits moteurs dans le test du cylindre et la rotation induite par l'apomorphine dans le modèle tardif de la MP. L'AmmTX3 (injection intrastriatale, 0.2-0.4 g), réduit les déficits moteurs et restaure des comportements cognitifs déficitaires (mémoire sociale et spatiale à court terme) et émotionnels (anxiété), après une dégénérescence DA bilatérale et partielle. L'ensemble de ces données suggère que l'inhibition pharmacologique de l'activité des canaux SK par l'apamine et Kv4 par l'AmmTX3, pourrait représenter une voie thérapeutique innovatrice quant au traitement des déficits moteurs, cognitifs et émotionnels de la MP. / Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease associated to a loss of dopaminergic nigrostriatal pathway that innervates the basal ganglia (GB). The DA neuron degeneration in PD induces imbalance between dopaminergic transmission, GABAergic and glutamatergic resulting in impaired neuronal excitability leading to the onset of motor and non-motor symptoms. Potassium channels, Kv4 and SK, are extensively involved in the phenomenon of neuronal excitability. We addressed the question of whether further blockade of SK or Kv4 activity could restore normal GB function in vivo. In this aim, we used a neurotoxin, 6-hydroxydopamine (6-OHDA) to produce two lesional models of Parkinson's disease in rats that mimics the cognitive and emotional deficits of the early phase of PD (partial and bilateral striatal lesions) and the motor deficits observed in the late phase of the disease (total unilateral nigral lesion). Apamin from bee venom (systemic injection, 0.1-0.3 mg/kg) and AmmTX3 from scorpion venom (intrastriatal injection, 0.2-0.4 g) were chosen to block SK and Kv4 channels respectively.In a first study, apamin treatment partially reduced motor deficits in the cylinder test and the rotation induced by apomorphine. In the second study, the AmmTX3 also decreased parkinsonian motor deficits. This late toxin restored cognitive behaviors (short-term social and spatial memory) and emotion (anxiety).Taken together, these results underlie the importance of SK channels as modulators of neuronal excitability of Kv4 channels as players of the homeostatic responses, and more importantly, provide potential targets for adjunctive therapies for Parkinson's disease.