The cardiac sodium-calcium exchanger (NCX) is an important membrane protein which regulates cellular calcium necessary for the optimal contractile function of the heart. NCX has become a focal point in ischemic heart disease (IHD) research as evidence suggests that reactive oxygen species (ROS) produced during IHD can cause NCX to malfunction resulting in an intracellular calcium overload leading to cardiac contractile abnormalities. Therefore, I hypothesized that NCX function is mediated by ROS increasing NCX1 activity during cardiac ischemia-reperfusion. To research this hypothesis, I investigated cellular mechanisms which may play a role in NCX dysfunction and also examined methods to correct NCX function. I found that reactive oxygen species directly and irreversibly modify NCX protein, increasing its activity, thereby worsening the calcium overload which is deleterious to cardiac function. I also elucidated the molecular means by which NCX protein modification occurs. Exploring pharmacological means by which to decrease NCX function to relieve the calcium overload and reduce the damage to the heart, I discovered that ranolazine (Ranexa), indicated for the treatment of angina pectoris inhibits NCX activity directly, thereby further reducing the calcium overload-induced injury to the heart. Furthermore, many IHD patients are also co-morbid for type-2 diabetes. These patients are prescribed sulfonylurea (SU) agents which act at the ATP sensitive K+ channel (KATP). One agent such as glibenclamide is known to have cardiotoxic side effects. Therefore, SUs devoid of any cardiac side effects would beneficial. Interestingly, patients possessing the genetic variant E23K-S1369A KATP channel have improved blood glucose levels with the use of the SU gliclazide. Therefore, I determined the functional mechanism by which gliclazide has increased inhibition at the KATP channel. These findings have implications for type-2 diabetes therapy, in which 20% of the type-2 diabetic population carries the KATP channel variant. In summary, the findings presented in this thesis have implications on treatment strategies in the clinical setting, as a NCX inhibitor can be beneficial in IHD and possibly type-2 diabetes. Moreover, a pharmacogenomic approach in treating type-2 diabetes may also provide a positive outcome when considering co-morbid cardiac complications such as atrial fibrillation and heart failure.

Conception, synthèse et évaluation pharmacologique danalogues originaux du cromakalim en tant quactivateurs des canaux potassiques ATP-dépendants Les canaux potassiques sensibles à lATP (canaux KATP) sont des structures transmembranaires impliquées dans le passage des ions potassium de lintérieur vers lextérieur de la cellule. Ils jouent un rôle essentiel dans le contrôle du potentiel membranaire des cellules excitables et sont donc impliqués dans la régulation de nombreux processus physiologiques tels que la sécrétion dinsuline au niveau des cellules B pancréatiques ou encore le contrôle du tonus des muscles lisses. Certaines molécules, notées PCOs (« Potassium Channel Openers »), sont capables dinduire louverture des canaux KATP. Les potentialités thérapeutiques de tels composés sont nombreuses pour autant que lon dispose de produits puissants et sélectifs envers un tissu donné de manière à éviter les effets indésirables. Les PCOs présentant une réelle sélectivité pour le tissu pancréatique sont susceptibles dêtre développés en tant que nouveaux agents thérapeutiques dans le cadre, notamment, du traitement de lhyperinsulinémie, du diabète et de lobésité. Nos recherches visent à développer des molécules analogues au (±)-cromakalim capables dactiver sélectivement les canaux KATP des cellules B pancréatiques. Les précédents travaux entrepris au sein du laboratoire visant à identifier de nouveaux PCOs sélectifs des cellules B-pancréatiques ont permis la synthèse danalogues du (±)-cromakalim Certains se sont montrés très puissants et sélectifs des cellules B pancréatiques. Cette thèse sinscrit dans la continuité de ces recherches et poursuit les pharmacomodulations autour du noyau cromane afin de développer des analogues originaux du (±)-cromakalim plus puissants et plus sélectifs de la cellule B pancréatique tout en améliorant leurs propriétés physico-chimiques et en particulier leur hydrosolubilité. Nous avons tout dabord exploré trois groupements potentiellement plus polaires en replacement de latome dhalogène de la position 6 du noyau cromane. Lors de cette première exploration, nous avons également évalué pharmacologiquement un intermédiaire de synthèse. Ensuite, vu les résultats prometteurs obtenus avec les molécules de première génération portant un groupement tert-butyloxycarbonylamino (-NHCOOC(CH3)3) nous ont conduit à explorer linfluence de la présence dune fonction carbamate et de son encombrement stérique. Les résultats pharmacologiques obtenus avec les composés de seconde génération furent particulièrement intéressant. Un de ces composés fut choisi afin de déterminer le mécanisme daction de ces analogues. Par la suite, les molécules synthétisées possédant un centre chiral en position 4 du noyau benzopyrane et se présentant donc toutes sous forme dun mélange racémique des deux énantiomères, nous avons réalisé la synthèse des énantiomères pures de la molécule de deuxième génération la plus intéressante afin détudier linfluence de la stéréochimie sur lactivité pancréatique et vasculaire de ces composés. Pour compléter létude de ce centre chiral, la synthèse de benzoxazines fut réalisée en vue de supprimer le carbone chiral en position 4. Ce remplacement de latome de carbone en positon 4 par un atome dazote fut lui aussi envisagé comme une amélioration possible de lhydrosolubilité de nos molécules. Finalement, afin dévaluer linfluence de différents groupements potentiellement plus polaires non encore étudiés, nous avons réalisé la synthèse de molécules portant sur la position 6 un groupement méthanesulfonamide ou éthanesulfonamide. Nous avons également étudié linfluence de lintroduction dun atome de fluor sur le cycle benzénique de la phénylthiourée ou de la phénylurée ainsi que sur le noyau benzopyrane en position 6. Les résultats obtenus avec ces molécules originales testées sur différents modèles pharmacologiques in vitro sont très prometteurs. Plusieurs produits élaborés au cours de ce travail se sont révélés être de puissants inhibiteurs de la sécrétion dinsuline et certains dentre eux exprimaient une nette sélectivité daction en faveur du tissu. Il apparaît donc clairement que les modifications structurales autour de la position 6 du noyau cromane du (±)-cromakalim, peuvent fortement influencer le profil dactivité pharmacologique de ces composés. De plus, les expérimentations radioisotopiques réalisées afin de déterminer le mécanisme daction de ces analogues originaux du cromakalim confirment que ceux-ci agissent principalement comme activateurs des canaux potassiques ATP-dépendants. Les résultats pharmacologiques générés au cours de ce travail nous encouragent à poursuivre les pharmacomodulations entamées autour du (±)-cromakalim afin daccroître tant lactivité que la sélectivité tissulaire de nos molécules. Les axes de recherche chimiques pour lavenir sont nombreux et variés car le noyau benzopyrane est encore loin dêtre épuisé.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les canaux ioniques sont des déterminants majeurs de la forme et de la durée du potentiel d'action (PA) cardiaque. Leur expression fonctionnelle à la membrane plasmique résulte d'une balance entre les voies antérograde et rétrograde du trafic intracellulaire, ainsi que de leur prise en charge par des compartiments endosomaux afin d'être recyclés ou dégradés. Le canal KV1.5 porte le courant principal de repolarisation atriale chez l'homme, IKur, et est impliqué dans la physiopathologie de la fibrillation atriale (FA). La FA est caractérisée par un raccourcissement de la durée du PA lié à un courant IKur augmenté et un courant ICaL diminué et est favorisée par l'augmentation des contraintes mécaniques. Ainsi, le canal KV1.5 constitue une cible majeure pour le développement d'anti-arythmiques spécifiques de l'oreillette. Ce projet avait pour but de mieux comprendre comment est régulée l'expression fonctionnelle des canaux KV1.5 dans les myocytes atriaux. Dans un premier temps, nous avons montré que le shear stress entraîne une augmentation du courant IKur impliquant la voie de mécanotransduction intégrine?1/FAK et l'endosome de recyclage lent. Dans les cellules hypertrophiées, cette voie de mécanotransduction est hyperactivée et le courant IKur est ainsi augmenté. Dans un second temps, nous avons montré que la voie d'endocytose des canaux KV1.5 est dépendante de la clathrine et que les microtubules sont principalement impliqués dans l'internalisation et la dynamique du canal à la surface des cellules. Ainsi, ce travail a permis de mieux caractériser les acteurs du trafic impliqués dans la régulation de l'expression fonctionnelle du canal KV1.5 dans les cardiomyocytes atriaux. / Ion channels are major determinants of shape and duration of the cardiac action potential (AP). Their functional expression at the sarcolemma is a dynamic process resulting from a balance between anterograde (exocytosis) and retrograde (endocytosis) pathways, and the involvement of the endosomal compartments which direct ion channels towards recycling or degradation. KV1.5 channel carries IKur current which constitutes the main atrial repolarizing current in human and which is involved in atrial fibrillation (AF). Mechanical forces and shortening of the AP duration are linked to an increased in IKur current and decreased ICaL current. Therefore, KV1.5 channel constitutes a major target for the development of atria-selective antiarrhythmic drugs. The aim on this project was to better understand how functional expression of KV1.5 channels in atrial myocytes is regulated. Firstly, we showed that shear stress triggers an increase in IKur current implying the integrinβ1/FAK mecanotransduction pathway. This process requires an intact microtubule network and involves the Rab11-associated recycling endosome. In hypertrophied cells, the mecanotransduction pathway is overactivated. Consequently, IKur is increased. Secondly, we demonstrated that KV1.5 channel endocytosis is mediated by the clathrin pathway. We showed that microtubules are involved in the internalization and dynamics of KV1.5 channel in the membrane. Therefore, this work provides a better understanding of the different players involved in the trafficking of KV1.5 channel and shed new lights on the functional regulation of this atria-specific channel.

Les nucléotides cycliques (NC) apparaissent comme des régulateurs majeurs du tonus vasculaire. Produits dans les cellules musculaires lisses (CMLs) par les cyclases, les NC agissent par l’intermédiaire des protéines effectrices qui modulent de nombreux mécanismes régulateurs de la vasomotricité. Les phoshodiestérases (PDEs) qui dégradent les NC assurent le contrôle spatiotemporel de leur réponse biologique. L’objectif de mon travail était de préciser les mécanismes par lesquels le tonus artériel est contrôlé par certaines PDEs. J’ai réalisé cette exploration en utilisant des artères coronaires ou mésentériques de rat, en situation physiologique puis dans un modèle d’insuffisance cardiaque (IC) chronique.Dans la première partie de mon travail, nous nous sommes intéressés au mécanisme par lequel les PDE3 et PDE4 régulent le tonus de l’artère coronaire.Par une approche expérimentale plus intégrée de réactivité vasculaire sur artère coronaires isolées, nous avons montré l’importance du canal potassique BK(Ca) dans l’effet relaxant des inhibiteurs de PDE3 et PDE4. De plus, nous avons constaté une contribution différentielle de ces canaux selon le mode de stimulation de la génération d’un NC, l’AMPc. A l’échelle de la CML, notre étude a permis de suggérer l’existence d’un signalosome impliquant les PDE3/PDE4 et du canal potassique BK(Ca), indiqué par la technique de Proximity Ligation Assay. En accord avec cette hypothèse, le contrôle des BK(Ca) par ces PDEs a pu être mis en évidence par la technique du Patch-Clamp. De manière intéressante, la contribution du couplage fonctionnel entre le canal BKCa et les PDE3 et PDE4 n’a pas été retrouvée dans les artères isolées de rats atteints d’IC. Ceci pourrait être expliqué par une diminution de l’expression des canaux BK(Ca) ainsi que, au moins partiellement, par une raréfaction de leur localisation à proximité de la PDE4B.Dans la deuxième partie de mon travail nous avons exploré les rôles des PDE3, PDE4 et de la PDE2 en particulier, dans la régulation du tonus de l’artère mésentérique de rats atteints d’IC, en comparaison aux rats contrôles. En effet, la contribution de la PDE2 est suggérée par la capacité d’un inhibiteur sélectif de cette enzyme à diminuer la réponse des artères isolées à une stimulation vasocontractante. Nous avons ensuite exploré les effets de cet inhibiteur dans d’autres types de réponses impliquant les NC.L’ensemble de ces travaux ajoute un niveau de complexité à la compréhension des mécanismes de la régulation de la vasomotricité des artères de résistance par les PDEs. Les altérations de cette voie de signalisation que nous avons mises en évidence dans l’IC pourraient contribuer à la dysfonction vasculaire qui accompagne la maladie. / Cyclic nucleotides (CN) appears to be important regulator of vascular tone. Produced in smooth muscle cells (SMCs) by cyclases, CN act through activation of key effectors involved in the regulation of vascular tone. Phoshodiesterases (PDEs), which degrade CN, provide spatiotemporal control of their biological responses. The aim of my work was to understand how vascular tone is controlled by some PDEs and how it is altered during heart failure (HF). For this, I used rat coronary and mesenteric arteries.In the first part of my work, we were interested in defining the contribution of PDE3 and PDE4 in the regulation of coronary tone. Using vascular reactivity technique, we demonstrate the importance of large-conductance Ca2+-activated potassium channel (BK(Ca)) channel in the relaxant effect of PDE3 and PDE4 inhibitor. Moreover, their contribution was different depending on the mode of cAMP production, a type of CN. At the cellular level, Proximity Ligation Assay experiments suggest the existence of a signalosome that involves PDE3/PDE4 andBK(Ca). According to this result, the control of BK(Ca) activity by these PDEs was demonstrated using the Patch-Clamp technique. Interestingly, the contribution of the functional coupling involving the BK(Ca) and PDE3/PDE4 is lost during HF. This may be explained by the decrease of BK(Ca) expression and [BK(Ca)-PDE4B] duplex signal in coronary arteries isolated from HF rat.In the second part of my work, we investigated the role of PDE3, PDE4 and PDE2 particularly, in the regulation of rat mesenteric artery tone during HF. In fact, PDE2 selective inhibitor, decreased the contractile response of isolated arteries. Then, we investigated the effect of PDE2 inhibition in other pathway that involve CN.Our findings underline the complexity of PDEs in the regulation of resistance artery tone. During HF, some CN signaling pathway are impaired leading to vascular dysfunction which can aggravate the pathology.

Pathogenic variants in KCNA2, encoding for the voltage-gated potassium channel Kv1.2, have been identified as the cause for an evolving spectrum of neurological disorders. Affected individuals show early-onset developmental and epileptic encephalopathy, intellectual disability, and movement disorders resulting from cerebellar dysfunction. In addition, individuals with a milder course of epilepsy, complicated hereditary spastic paraplegia, and episodic ataxia have been reported. By analyzing phenotypic, functional, and genetic data from published reports and novel cases, we refine and further delineate phenotypic as well as functional subgroups of KCNA2-associated disorders. Carriers of variants, leading to complex and mixed channel dysfunction that are associated with a gain- and loss-of-potassium conductance, more often show early developmental abnormalities and an earlier onset of epilepsy compared to individuals with variants resulting in loss- or gain-of- function. We describe seven additional individuals harboring three known and the novel KCNA2 variants p.(Pro407Ala) and p.(Tyr417Cys). The location of variants reported here highlights the importance of the proline(405)–valine(406)–proline(407) (PVP) motif in transmembrane domain S6 as a mutational hotspot. A novel case of self-limited infantile seizures suggests a continuous clinical spectrum of KCNA2-related disorders. Our study provides further insights into the clinical spectrum, genotype–phenotype correlation, variability, and predicted functional impact of KCNA2 variants.

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces. / Airway epithelial cells are the site of Cl- secretion through CFTR. Cystic fibrosis is a fatal genetic disease caused by mutations in CFTR. The most frequent mutation in North America (∆F508) results in impaired maturation and altered channel gating of the protein. In the last years, several small molecules were identified by high throughput screening that could restore mutated CFTR function. Compounds addressing CFTR gating defects are referred to as potentiators. The basolateral K+ channel KCa3.1 has been documented to play a prominent role in establishing a suitable driving force for CFTR-mediated Clsecretion in airway epithelial cells. It has been shown, for example, that the application of 1-EBIO on T84 monolayers results in a sustained increase of Clsecretion and that this current can be reversed by application of CTX, a KCa3.1 inhibitor (Devor et al., 1996). Thus, in a global approach of transepithelial transport, the research for physiologically relevant CFTR potentiators should also consider their effects on the KCa3.1 channel. Electrophysiological patch clamp measurements and channel structural modification by site directed mutagenesis were used to characterize the action of CFTR potentiators on KCa3.1 and study their molecular mode of action. In this work we present results on the effects on KCa3.1 of several CFTR potentiators of different structures. We observed that the CFTR potentiators genistein, curcumin, SF-03 and VRT-532 could inhibit KCa3.1 activity at concentrations known to activate CFTR. Our results suggest that SF- 03 could act indirectly on KCa3.1 through a mechanism involving an accessory protein. Curcumin would also have an indirect inhibitory effect, probably mediated by the plasma membrane, as documented for other ion channels. A detailed study of VRT-532 revealed that this molecule has access to its binding site in a state independent manner, and is poorly effective on the V282G mutant of KCa3.1, which is constitutively active. These results suggest that VRT-532 could act through the CaM/KCa3.1 complex and require the presence of Ca2+ to inhibit channel activity. In contrast, CBIQ, another CFTR potentiator, succeeded to activate KCa3.1. Our results in single channel show that CBIQ vii destabilizes a non conducting state of the channel. We also showed that this molecule increases the apparent Ca2+ affinity as well as the channel open probability, even in saturating Ca2+ conditions. Experiences in which Ba2+ was used as a probe were also performed to determine if the action mechanism of CBIQ involves an effect on the selectivity filter. Our results showed that Ba2+ could displace CBIQ from its interacting site, suggesting that the increases in channel activity induced by CBIQ could result from a change in the energetics of the channel at the level of the selectivity filter. On the basis of our results, we conclude that CBIQ, a CFTR potentiator, could activate KCa3.1 by destabilizing a non conducting state of the channel, probably through an action near the selectivity filter region. Also, CFTR potentiators having an inhibitory effect on KCa3.1 are likely to act through the plasmic membrane, the CaM/KCa3.1 interaction or an accessory protein of the channel. In a perspective of future treatments for CF, our results indicate that CBIQ could be an efficient potentiator since this product stimulates KCa3.1 as well as CFTR. Conversly, the VRT-532 and SF-03 could be less efficient than on CFTR alone, due to their inhibition of KCa3.1.

Les encéphalites limbiques à autoanticorps anti-CASPR2 sont des atteintes du système nerveux central caractérisées par des troubles de la mémoire et des crises d’épilepsie. La protéine CASPR2 (Contactin-associated protein-like 2), avec son partenaire TAG-1, est connue pour son rôle dans le rassemblement des canaux potassiques voltage-dépendants (Kv1.1 et Kv1.2) dans la région juxtaparanodale des nœuds de Ranvier ; régions essentielles pour la conduction rapide des messages nerveux. Par ailleurs, de plus en plus d’études suggèrent un rôle de CASPR2 dans la plasticité synaptique et l’excitabilité neuronale, en lien avec les symptômes observés chez les patients présentant des anticorps anti-CASPR2. Cependant, le rôle pathogénique des anticorps anti-CASPR2 dans les encéphalites limbiques reste loin d’être compris. Au cours de ma thèse, j’ai souhaité améliorer la connaissance des mécanismes pathologiques des anticorps anti-CASPR2 de patient dans l’encéphalite limbique auto-immune. Pour cela, j’ai déterminé les caractéristiques biologiques des anticorps anti-CASPR2, suggérant un rôle direct des anticorps sur la fonction de CASPR2 en ciblant les domaines N-terminaux de la protéine. De plus, j’ai identifié deux mécanismes d’action potentiels des anticorps anti-CASPR2 sur l’interaction entre CASPR2 et TAG-1 et sur l’expression des canaux Kv1.2 en surface. Ces travaux impliquent d’avantage les anticorps anti-CASPR2 dans la pathogénicité des encéphalites limbiques auto-immunes / Anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis is a central nervous system disorder characterized by memory disorders and epilepsy. CASPR2 (Contactin-associated protein-like 2) with its partner TAG-1, is known for its role in the clusterisation of voltage-dependent potassium channels (Kv1.1 and Kv1.2) in the juxtaparanodal region of node of Ranvier; which are essential for the rapid conduction of nerve signals. In addition, an increasing number of studies suggest a role of CASPR2 in synaptic plasticity and neuronal excitability, in relation with the symptoms observed in patients with anti-CASPR2 antibodies. However, the pathogenic role of anti-CASPR2 antibodies in limbic encephalitis remains far from clear. During my thesis I wished to improve our understanding of the mechanisms mediated by anti-CASPR2 antibodies in limbic encephalitis. To this end, I determined the biological characteristics of anti-CASPR2 antibodies, suggesting a direct role of antibodies on CASPR2 function by targeting its N-terminal domains. Furthermore, I identified two potential mechanisms of anti-CASPR2 antibodies on CASPR2/TAG-1 interaction and on Kv1.2 cell surface expression. These works further implicate anti-CASPR2 antibodies in the pathogenicity of autoimmune limbic encephalitis

A key function of the nervous system is to sample data from the external world, generate internal signals, and transform them into meaningful information that can be used to trigger behaviour. In order to gain insight into the underlying mechanism for signal transformation, the visual system has been extensively studied: partly owing to the stimulus being reliably presentable, and the anatomy being well described. The Drosophila visual system is one such system, with the added advantage of genetic tractability. In this thesis, I studied the filtering property of visual neurons at two levels, biophysical and circuit levels. The first study looks at signal transformation at the biophysical level, at the input of the visual system, in photoreceptors. Voltage-gated potassium channels counteract the depolarization caused by opening of light sensitive channels, and the heterogeneous properties of their kinetics can fine-tune the photoreceptor’s frequency response to fulfill the animal’s ecological requirements. Shaker (Kv1) and Shab (Kv2) have been identified as fast and slow inactivating components of the photoreceptor’s outward currents, however a current with intermediate kinetics (IKf) has not been molecularly identified, but had been postulated to be Shal (Kv4). I focused on characterizing this current using whole-cell patch clamp in wild type and mutants, and using antibodies for Shal. My results from whole-cell patch clamp indicated that IKf in adult R1-6 cells are not Shal, from their voltage dependence and insensitivity to a Kv4 blocker. This calls for alternative molecular basis for IKf, which is likely to be a slow inactivating component of Shaker, or a combination of its many splice variants. The second study looks at signal transformation at the circuit level, at the output end, in the third optic neuropil, lobula. Visual projection neurons project from the lobula to the central brain, and have been proposed to carry behaviourally relevant visual features to higher brain regions. It was recently shown that optogenetic activation of individual visual projection neuron types could induce distinct behaviours such as takeoff and backward walking, linking these visual neurons to specific behavioural programs downstream. Using in vivo two-photon calcium imaging, I recorded visually evoked calcium responses from three of these cell types. Cell types that showed induced takeoff and backward walking preferentially responded to dark looming stimuli or fragmented expanding local features, suggesting their role in behaviours triggered by object approach. To explore how this visual information is transformed in the downstream circuit, we identified several candidate neurons that receive input from this cell type by anatomical overlap, and then validated their connections using optogenetic activation and calcium imaging. One downstream cell-type that projects bilaterally had very similar response properties to its upstream partner, whereas another cell-type that projects ipsilaterally seemed to filter out some information from its upstream partner. This is one of the first studies that functionally characterizes lobula visual projection neurons and their downstream partners in Drosophila, and their response properties agree with the general idea that visual information becomes increasingly selective as it is sent to higher brain regions.