Data in this study show the effects of isoproterenol (ISO), a [bêta]-adrenergic agonist, on the total calcium content of the sarcoplasmic reticulum (SR), denoted [Ca[subscript T]][subscript SR]. Tetramethyl murexide (TMX), a membrane permeable, low affinity Ca[superscript 2+] indicator was used to monitor SR Ca[superscript 2+] content. The fraction of calcium-bound form of TMX in the SR ([f]Ca) is approximately proportional to the concentration of the free Ca[superscript 2+] in the SR ([Ca[superscript 2+]][subscript SR]) which in turn can be used to give [Ca[subscript T]][subscript SR]. Results show that 10 [mu]M ISO increases [Ca[superscript 2+]][subscript SR] by 112% in 30 min. in resting frog skeletal muscle. No significant increase was observed with no Ca[superscript 2+] present in the external solution indicating that ISO caused a Ca[superscript 2+] influx across the surface/T-system membrane. This increase in [Ca[superscript 2+]][subscript SR] occurred with an exponential delay ([tau] = 7.0 min.) and failed to reverse after washing out ISO. These results suggest that ISO stimulates the expression of a channel -permeable to calcium during resting potentials- which would remain active or open even after washing out ISO. These results argue against the involvement of most of voltage-dependent Ca[superscript 2+] channels that are gated by depolarization. Furthermore, we showed that hyperpolarization in ISO further increases Ca[superscript 2+] influx. The increase in rate of influx came on with an exponential delay ([tau] = 1.6 min.), and couldn't be explained simply by the increased driving force for Ca[superscript 2+] or by inward rectification. This delay also argues against the involvement of hyperpolarization-activated channels. The fact that the rate of Ca[superscript 2+] flux did not decrease during hyperpolarization further supports the idea that the Ca[superscript 2+] influx is not due to depolarization-activated Ca[superscript 2+] channel. In the absence of ISO, the level of [f]Ca was the same with and without Ca[superscript 2+] in the external solution, indicative of a lack of Ca[superscript 2+] influx under resting physiological conditions. When the level of [f]Ca was reduced to 30% of the physiological level with 20 mM EGTA, the average value of [f]Ca was the same with or without external Ca[superscript 2+]. These results thereby arguing against the involvement of store operated mechanisms in the regulation of SR Ca[superscript 2+] content in the physiological range. The data show two well distinguished effects when ISO was removed. One is a reversible effect which showed a sudden, transient decrease in SR calcium content (termed"dip"). The"dip" can be described with a single exponential and corresponds with the rate of Ca[superscript 2+] release observed in response to a depolarization to -70 mV. The"dip" appears to require the reversal of the SR calcium pump (SERCA). After the"dip", SR calcium content rose again and reached the same rate as was observed during ISO. This steady rise in SR calcium content appeared to be the other, irreversible effect of ISO. In addition, during the course of ISO stimulation, we observed an increase in myoplasmic pH. One possible explanation could involve the activation of [alpha]-adrenergic receptors by ISO. The receptors activate the PLC-IP3 pathway which, in turn, enhances the Na/H exchanger and thus the removal of H+ ions from the myoplasm. In summary, the data indicate that adrenergic stimulation increases [Ca[subscript T]][subscript SR] in resting fibers by activating Ca[superscript 2+] influx across the surface/T-system membrane and is consistent with the expression of an unknown Ca[superscript 2+] channel. Our results also raise doubts about whether, store-operated mechanisms are involved in fibers depleted to 30% of their normal [Ca[superscript 2+]][subscript SR]. The data also suggest that SERCA is directly enhanced by ISO.

La contraction du muscle cardiaque et squelettique est activée par la libération du calcium (Ca²[indice supérieur +]) du réticulum sarcoplasmique (RS), en réponse à la dépolarisation du sarcolemme pendant la propagation du potentiel d'action (PA) le long des tubules transverses (tubules T). Ce processus s'appelle le couplage excitation-contraction (couplage EC). Le couplage EC dans le muscle cardiaque est différent de celui squelettique en ce sens qu'il nécessite du Ca²[indice supérieur +] extracellulaire ce qui n'est pas le cas dans le couplage EC dans le muscle squelettique. Le but de mon projet de Maîtrise a été principalement de développer et de perfectionner une nouvelle méthode de mesure de la concentration totale de Ca²[indice supérieur +] dans le muscle cardiaque et le muscle squelettique ([Ca[indice inférieur T]]MUSCLE) de différentes espèces (rats, souris et grenouilles); dont la plus grande fraction est emmagasinée à l'intérieur du RS. Cette mesure quantitative a pour objectif à long terme, dans le cas du muscle cardiaque de comprendre les résultats apparemment contradictoires concernant le mécanisme principal de couplage EC et dans le cas du muscle squelettique, de confirmer que la concentration totale de Ca²[indice supérieur +] dans la préparation des cellules isolées correspond au niveau physiologique. De surcroît, dans ce dernier cas, la [Ca[indice inférieur T]]MUSCLE dans les fibres musculaires squelettiques de grenouille obtenu avec la technique de EGTA-Rouge de phénol effectué par Pape et al. (1995) est similaire à celle obtenue à partir de cette nouvelle méthode dans le muscle squelettique entier. Les résultats obtenus en relation avec le poids du muscle sur les souris C57BL6 montrent qu'il y a une grande dépendance du contenu total de Ca²[indice supérieur +] sur le poids du muscle. En effet, le poids du muscle varie de 12.7 mg à 5.2 mg ce qui correspond à 1.34 mM et 4.14 mM respectivement. Ces résultats suggèrent la possibilité d'un mécanisme pour la régulation du [Ca[indice inférieur T]]MUSCLE où le plus petit muscle augmente [Ca[indice inférieur T]]MUSCLE afin d'augmenter sa force spécifique (force normalisée pour la grandeur) pour produire une force similaire aux muscles plus grands. La calséquestrine est une protéine qui tamponne le Ca²[indice supérieur +] à l'intérieur du RS est la source principale de Ca²[indice supérieur +] impliquée dans le couplage EC. En effet, Fenelon et al. (2012) ont estimé que 95% du Ca²[indice supérieur +] dans le RS est lié, avec 5% dans le forme libre (i.e. Ca²[indice supérieur +]), et que plus de 80% du Ca²[indice supérieur +] lié paraît être associé avec la calséquestrine. La raison principale pour développer cette nouvelle méthode a été d'évaluer si le contenu total de Ca intracellulaire est largement réduit dans les muscles KO en CSQ afin de mieux résoudre la controverse sur ce sujet. Contrairement à nos attentes [Ca[indice inférieur T]]MUSCLE a été proche de 2mM dans les muscles contrôles, ce qui est proche de la moyenne mesurée pour les muscles KO en CSQ. Notre hypothèse est qu'il y a une "uprégulation" d'une ou plusieurs protéines de liaison de Ca²[indice supérieur +] dans le RS.

Au cours du couplage excitation-contraction (CEC) cardiaque, une partie du calcium (Ca2+) libéré par le réticulum sarcoplasmique (RS) via les récepteurs de la ryanodine de type (RyR2) est captée par la mitochondrie. Une fois dans la matrice mitochondriale, le Ca2+ module l’activité de plusieurs enzymes du métabolisme oxydatif ainsi que la production d’ATP. Une altération de la libération de Ca2+ du RS et une dysfonction mitochondriale ont été décrites dans plusieurs pathologies cardiovasculaires associées à des troubles métaboliques comme la cardiomyopathie diabétique (CMD). Cependant, les mécanismes qui sous-tendent le remodelage du métabolisme et de l’homéostasie calcique au stade précoce de la CMD demeurent méconnus. Afin de déterminer dans quelle mesure la dynamique calcique et le couplage excitation métabolisme oxydatif sont altérés au stade précoce de la CMD, des souris C57Bl/6 ont été soumises à un régime enrichi en graisses et en sucres (HFS) pendant deux semaines. Au terme du régime, les souris HFS présentent un hyperinsulinisme, une euglycémie et une dyslipidémie. En plus de ce statut pré-diabétique, le flux mitral (E/A) évalué par échocardiographie, est significativement diminué chez les animaux HFS par rapport aux animaux Ctrl, suggérant une dysfonction diastolique précoce du ventricule gauche. A l’échelle du cardiomyocyte, une diminution du raccourcissement cellulaire sans modification de l’amplitude des transitoires calciques induits par stimulation électrique est responsable d’une diminution de l’efficacité du CEC en condition HFS. De plus, l’entrée dynamique de Ca2+ dans la mitochondrie, évaluée à l’aide de la technique de patch-clamp en configuration cellule entière, est également significativement diminuée. Bien que l’expression du canal anionique dépendant du voltage (VDAC) et de l’unipore calcique (MCU) demeure inchangée, l’expression de la protéine MICU1 augmente. Cette altération de l’entrée de Ca2+ dans la mitochondrie est responsable d’une diminution de l’activité de la pyruvate déshydrogénase via sa phosphorylation sur le résidu ser232, réduisant ainsi l’utilisation des glucides comme substrats énergétiques. Enfin, bien que les paramètres de base de l’ECG soient comparables entre les deux groupes, les souris HFS déclenchent spontanément des troubles du rythme et présentent une altération de la modulation de la fonction cardiaque par le système nerveux autonome.Ces travaux suggèrent que MICU1, en modulant l’homéostatisie calcique, le couplage excitation-métabolisme oxydatif et la flexibilité métabolique, pourrait jouer un rôle de senseur métabolique au sein des cardiomyocytes initiant ainsi la cardiomyopathie diabétique. / During cardiac excitation-contraction coupling (ECC) a fraction of the calcium (Ca2+) released by the sarcoplasmic reticulum (SR) through type 2 Ryanodine Receptor (RyR2) is taken up by mitochondria. Once in the matrix, Ca2+ modulates several enzymes of oxidative metabolism and ATP production. SR Ca2+ release alteration and mitochondrial dysfunction have been reported in several cardiovascular diseases associated with metabolic disorders such as diabetic cardiomyopathy (DCM). However, the mechanisms that govern the metabolic remodeling and Ca2+ handling at the early stage of DCM are currently unknown. To determine whether mitochondrial Ca2+ dynamics and excitation oxidative metabolism coupling are affected at the early stage of DCM, C57Bl/6 mice were fed a standard or high fat sucrose (HFS) diet for two weeks. At the end of the diet, HFS mice display hyperinsulinemia, euglycemia and dyslipidemia. In addition to this prediabetic state, the transmitral inflow (E/A), assessed by echocardiography, is significantly reduced in HFS mice compared to their control (Ctrl) littermates suggesting an early left ventricle diastolic dysfunction. At the single cardiomyocyte level, a decrease in peak cell shortening without any change regarding the amplitude of electrically evoked Ca2+ transients leads to reduced ECC efficiency under HFS conditions. Moreover, dynamic mitochondrial Ca2+ uptake measured using the whole cell patch-clamp technique is significantly decreased. While the expression of voltage-dependent anionic channel (VDAC) and mitochondrial uniporter (MCU) is unchanged, expression of mitochondrial Ca2+ uptake protein 1 (MICU1) increases. Impaired mitochondrial Ca2+ uptake leads to reduced pyruvate dehydrogenase activity through the phosphorylation of ser232, thus decreasing the use of carbohydrates as energetic substrate. Finally, although ECG basal parameters are comparable between the two groups, HFS mice trigger spontaneous arrhythmia and impaired autonomic modulation of cardiovascular function.This study suggests that MICU1 could act as a metabolic sensor by modulating mitochondrial Ca2+ handling, excitation–oxidative metabolic coupling and the metabolic flexibility paving the way to the DCM.

Le spermatozoïde, afin d'être en mesure de féconder l'ovule, doit subir une série de modifications membranaires et biochimiques, regroupées sous le terme capacitation. De ces modifications, une augmentation de la phosphorylation en tyrosine de certaines protéines spermatiques spécifiques ainsi qu'une augmentation du Ca²⁺ intracellulaire sont observées. Il a été démontré que la phosphorylation sur résidu tyrosine associée à la capacitation des spermatozoïdes est sous le contrôle étroit du Ca²⁺, de la voie AMPc/PKA et des dérivés actifs de l'oxygène. De plus, il a été montré que la libération des réservoirs de Ca²⁺ par la thapsigargine, un inhibiteur spécifique des Ca²⁺ -ATPase du réticulum endoplasmique et sarcoplasmique (SERCA), pouvait provoquer l'augmentation de la phosphorylation en tyrosine et ce, dépendante des tyrosines kinases de la famille de src. Tous ces éléments suggèrent qu' il y a une Ca²⁺-ATPase sensible à la thapsigargine présente dans les spermatozoïdes permettant l'accumulation de Ca²⁺ dans les réservoirs et qu'au moins un membre de la famille de src dont l'activité est Ca²⁺ -dépendante est présente dans les spermatozoïdes. Dans un premier temps, j'ai identifié la Ca²⁺-ATPase SERCA2. C'est la première étude qui démontre que ce type de Ca²⁺ -ATPase est présente dans les spermatozoïdes de mammifères. La présence de SERCA2 au niveau de l'acrosome dans les spermatozoïdes humains, murins et bovins, suggère que cette Ca2+ -ATPase puisse contrôler la [Ca2+]i en accumulant le Ca²⁺ au niveau de l'acrosome. Puisque src est modulée positivement par le Ca²⁺, j'ai vérifié sa présence et son rôle dans les spermatozoïdes humains. Dans cette étude, j'ai clairement démontré que l'activité de src est Ca²⁺ dépendante et modulée positivement par la voie AMPc/PKA. De plus, la kinase src semble active tout au long de la capacitation et pourrait donc contribuer à l'augmentation de la phosphorylation associée à la capacitation. Enfin, j'ai tenté d' identifier des substrats de src par deux approches différentes. L'identification de ces protéines permettra de mieux comprendre le rôle de cette tyrosine kinase dans les fonctions Ca²⁺ -dépendantes du spermatozoïde.

La contraction du muscle squelettique est initiée par une libération de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique (RS) en réponse à une dépolarisation du sarcolemme. Celle-ci induit un changement de conformation du récepteur des dihydropyridines (DHPR) localisé dans les tubules T entraînant l'ouverture du récepteur de la ryanodine de type 1 (RyR1), canal calcique du RS, et la libération du Ca2+ accumulé dans le RS. Au repos, RyR1 serait maintenu fermé par une action répressive du DHPR. Néanmoins, un efflux de Ca2+ continu se développe à travers la membrane du RS, constamment compensé par l'activité des pompes Ca2+-ATPases. Des études suggèrent que cet efflux pourrait être impliqué dans la perturbation de l'homéostasie calcique dans une des pathologies musculaires des plus fréquentes et sévères, la myopathie de Duchenne. Le travail présenté vise à caractériser l'efflux de Ca2+ du RS dans les fibres musculaires squelettiques de souris normales et mdx, modèle murin de la myopathie de Duchenne, en couplant la technique de potentiel imposé et la mesure fluorimétrique du Ca2+ intracellulaire. La mise au point d'une mesure directe des variations de Ca2+ du RS à l'aide du Fluo-5N a permis de révéler dans les fibres mdx une fuite calcique du RS exacerbée. Cette approche a permis de démontrer que l'efflux calcique du RS dans la fibre musculaire squelettique au repos n'est pas un phénomène incontrôlé à travers RyR1 mais un efflux étroitement contrôlé par le DHPR. Enfin, on s'est intéressée à l'efflux de Ca2+ du RS lors d'une stimulation musculaire prolongée. Nos résultats montrent que le déclin du signal calcique cytosolique dans ces conditions résulterait de la déplétion calcique du RS / Contraction of skeletal muscle is triggered by the release of Ca2+ from the sarcoplasmic reticulum (SR) in response to depolarization of the sarcolemma. Depolarization elicits a conformational change of the dihydropyridine receptor (DHPR) localized in the tubular membrane that controls the opening of the type 1 ryanodine receptor (RyR1), the SR Ca2+ release channel. At rest, RyR1s are kept in a closed state imposed by the repressive action of DHPRs. Yet, a resting Ca2+ efflux occurs across the SR membrane, constantly balanced by the pumping activity of SR Ca2+-ATPases. Several studies suggest that this SR Ca2+ efflux, considered as purely passive, may contribute to the alteration of Ca2+ homeostasis in one of the most common and severe skeletal muscle disease, namely the Duchenne Muscular Dystrophy. The present work aims at characterizing the SR Ca2+ efflux in skeletal muscle fiber from normal and mdx mice, the murine model of Duchenne Muscular Dystrophy, by combining voltage-clamp and intracellular Ca2+ measurements. The development of a methodology allowing direct monitoring of Ca2+ changes in the SR using the Fluo-5N led us to reveal an elevated SR Ca2+ leak in mdx fibers, which may contribute to the alteration of Ca2+ homeostasis. Still using this approach, we demonstrate that the resting SR Ca2+ efflux in normal skeletal muscle fiber is not, an uncontrolled process through RyR1 but is tightly controlled by DHPR. Finally, we investigates the SR Ca2+ efflux during long-lasting stimulation. Our data indicate that the decline of SR Ca2+ release in these conditions results from SR Ca2+depletion and does not involve voltage-dependent inactivation of SR Ca2+ release

La cascade d’évènements permettant la contraction de la fibre musculaire striée squelettique en réponse à l’activité électrique de sa membrane plasmique est regroupée sous le terme de couplage excitation-contraction (EC). Le couplage EC a lieu au niveau des triades, domaines nanoscopiques au niveau desquels les invaginations transversales de la membrane plasmique (tubules-T) sont en contact étroit avec deux citernes terminales adjacentes de réticulum sarcoplasmique (RS). Plus précisément, lors de l’excitation d’une fibre musculaire, un potentiel d’action se propage dans toute la surface de la membrane plasmique et en profondeur de la cellule via les tubules-T. Cette dépolarisation y est détectée par les protéines membranaires sensibles au potentiel Cav1.1 qui en retour, par couplage mécanique, déclenchent l’ouverture des canaux calciques du RS que sont les récepteurs de la ryanodine de type 1 (RYR1s). Ceci est à l’origine de l’augmentation massive de Ca2+ intracellulaire qui déclenche l’activation des myofilaments et donc la contraction. La compréhension des mécanismes de contrôle et de régulation des canaux RYR1s reste encore aujourd’hui limitée. En particulier, la mesure de l’activité physiologique de ces canaux dans la fibre musculaire intacte est toujours réalisée de manière très indirecte. Par ailleurs le rôle éventuel de variations de potentiel de la membrane du RS pendant l’activité musculaire n’a jamais été révélé. Une connaissance approfondie de ces phénomènes est pourtant essentielle à la compréhension de la fonction musculaire squelettique normale et pathologique. Dans ce contexte, l’objectif général de mon projet de thèse a été de mettre au point et utiliser des biosenseurs fluorescents localisés spécifiquement à la membrane des citernes terminales du RS de fibres musculaires différenciées – par leur fusion à une séquence d’adressage appropriée. Grâce à la combinaison des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie de la fluorescence des biosenseurs sur fibres musculaires isolées, nous avons pu étudier l’activité du RS au cours de la fonction musculaire. Plus particulièrement, mon travail de thèse aborde deux problèmes biologiques principaux : le potentiel de membrane du RS et la signalisation calcique du RS au cours du couplage EC. Le premier objectif a visé à caractériser les changements de potentiel de la membrane du RS pendant l’activation du couplage EC. Pour cela, nous avons utilisé des biosenseurs de FRET de la famille Mermaid. Nos résultats montrent qu’il n’y a pas de changement substantiel du potentiel transmembranaire du RS pendant l’activation du couplage EC. Ces données confirment – pour la première fois en condition physiologique – que le flux de Ca2+ à travers les canaux RYR1s est équilibré par des contre-flux ioniques compensatoires qui permettent le maintien du potentiel de membrane du RS. Ceci assure la pérennité du flux de Ca2+ et contribue à l’efficacité du couplage EC. Le deuxième objectif a visé à détecter les variations de concentration en Ca2+ à proximité immédiate des canaux RYR1s. Pour cela, nous avons utilisé le biosenseur fluorescent sensible au Ca2+ GCamP6f. Le biosenseur adressé à la membrane du RS fournit un accès unique à l’activité individuelle de populations distinctes de canaux RYR1s au sein de différentes triades d’une même fibre musculaire. Au-delà de la caractérisation détaillée des propriétés des sondes GCaMP6f dans cette préparation, nos résultats montrent la stupéfiante synchronisation de l’activité de libération de Ca2+ des triades d’une même fibre musculaire au cours du couplage EC. Les résultats ouvrent des perspectives particulièrement intéressantes pour les études de situations pathologiques d’altération de l’activité des canaux RYR1s / Excitation-contraction (EC) coupling in skeletal muscle corresponds to the sequence of events through which muscle fiber contraction is triggered in response to plasma membrane electrical activity. EC coupling takes place at the triads; these are nanoscopic domains in which the transverse invaginations (t-tubules) of the surface membrane are in closed apposition with two adjacent terminal cisternae of the sarcoplasmic reticulum membrane (SR). More precisely, EC coupling starts with action potentials fired at the endplate, propagating throughout the surface membrane and in depth into the muscle fiber through the t-tubules network. When reaching the triadic region, action potentials activate the voltage-sensing protein Cav1.1. In turns, Cav1.1 directly open up the type 1 ryanodine receptor (RYR1) in the immediately adjacent SR membrane, through intermolecular conformational coupling. This triggers RYR1-mediated SR Ca2+ release which produces an increase in cytosolic Ca2+ triggering contraction. Current understanding of the mechanisms involved in the control and regulation of RYR1 channels function is still limited. One reason is related to the fact that detection of RYR1 channel activity in intact muscle fibers is only achieved with indirect methods. Also, whether SR the membrane voltage experiences changes during muscle activity has so far never been experimentally assessed. Yet, deeper knowledge of these processes is essential for our understanding of muscle function in normal and disease conditions. In this context, the general aim of my PhD project was to design and use fluorescent protein biosensors specifically localized at the SR membrane of differentiated muscle fibers, by fusing them to an appropriate targeting sequence. Thanks to a combination of single cell physiology and biophysics techniques based on electrophysiology and biosensor fluorescence detection, we were able to study the SR activity during muscle fiber function. Specifically, my PhD work focused on two major issues: SR membrane voltage and SR calcium signaling during EC coupling. The first aim of my work was to characterize SR membrane voltage changes during muscle fiber activity. For this, we used voltage sensitive FRET-biosensors of the Mermaid family. Results show that the SR trans-membrane voltage experiences no substantial change during EC coupling. This provides the first experimental evidence, in physiological conditions, for the existence of ion counter-fluxes that balance the charge deficit associated with RYR1-mediated SR Ca2+ release. Indeed, this process is essential for maintaining the SR Ca2+ flux upon RYR1 channels opening and thus critically important for EC coupling efficiency. The second objective of my work aimed at detecting the changes in Ca2+ concentration occurring in the immediate vicinity of the RYR1 Ca2+ release channels during muscle fiber activation. For this, we took advantage of one member of the recent generation of genetically encoded Ca2+ biosensor: GCaMP6f. The SR-targeted biosensor provides a unique access to the individual activity of RYR1 channels populations within distinct triads of a same muscle fiber. Beyond allowing a detailed characterization of the biosensor properties in this preparation, results highlight the remarkable uniformity of SR Ca2+ release activation from one triad to another, during EC coupling. These results open up stimulating perspectives for the investigation of disease conditions associated with defective behavior of RYR1 channels.