Le calcium est un élément indispensable à la formation du système nerveux. Il intervient dans de nombreuses fonctions qui permettent la mise ne place et le fonctionnement d'un organe. Le but de ce travail a été de caractériser les canaux calciques de type T dépendants du potentiel présents transitoirement dans les neurones vestibulaires primaires et de comprendre le rôle des influx calciques qu'ils induisent au cours du développement périnatal chez la souris. <br />Grâce à des études électrophysiologiques et pharmacologiques nous avons caractérisé les propriétés des sous-unités du canal de type T, Cav3.1 et Cav3.2, cette dernière générant un courant de forte amplitude à un stade précoce du développement. L'étude de l'activité électrique de ces neurones révèle la présence d'une dépolarisation post potentiel corrélée avec l'expression du canal Cav3.2.<br />L'analyse des propriétés de l'activité électrique aux stades précoces du développement révèle qu'elle présente un ralentissement de la phase de repolarisation du potentiel d'action bloqué par le cadmium. Cette activité devient plus rapide aux stades plus matures. Ces observations ont été faites à des stades de développement où se déroulent la neuritogenèse et la synaptogenèse.<br />Nous avons pu déterminer le rôle physiologique de Cav3.2 et de l'activité électrique qui découle de son activation par l'utilisation d'antisens sur un modèle de culture de neurones. En l'absence de ces dernières, un ralentissement de la pousse neuritique a été observé, démontrant l'implication cruciale des courants calciques de type T dans la formation de ce système sensoriel.

La réaction acrosomique de Mammifère nécessite l'ouverture successive de trois canaux calciques : un canal calcique activé par de faibles dépolarisations (LVA), le récepteur à l'IP3 et un canal activé par la vidange des stocks (SOC) TRPC2. Nos données montrent une intéressante interaction fonctionnelle entre le canal LVA et les protéines dont l'activité est liée au niveau de remplissage du réticulum (vraisemblablement les canaux TRPCs et l'IP3R). Toute la signalisation calcique de la RA est sous le contrôle du canal LVA qui est le premier à s'activer. En utilisant les souris déficientes pour Cav3.1, Cav3.2, nous avons montré que la sous-unité α1H est la sous-unité majoritaire dans les cellules spermatogéniques sauvages. Nos données fournissent de nouvelles hypothèses concernant l'activation de TRPC2 : celle-ci pourrait être due à des modifications de son interaction avec la junctate et l'IP3R, induite par la vidange des stocks.

L'amibe Dictyostelium discoideum est un eucaryote unicellulaire capable de se déplacer et de se nourrir par phagocytose. Cet organisme est très utilisé pour décrypter les mécanismes moléculaires du chimiotactisme et de la motilité cellulaire. Les travaux de S.Fache au laboratoire ont notamment montré que la motilité de Dictyostelium est stimulée par une contrainte mécanique, et que la vitesse atteinte dépend du calcium extracellulaire. <br />Dans ce travail, nous avons étudié l'étalement de Dictyostelium sur un substrat, processus qui peut être apparenté à certaines étapes de la motilité cellulaire. Nous avons montré que l'étalement de Dictyostelium est un processus quasi-linéaire et anisotrope. De plus, nous avons mis en évidence des variations périodiques de l'aire gagnée par les cellules dont nous n'avons pu identifier l'origine moléculaire. <br />Ces travaux sur l'étalement cellulaire nous ont permis de caractériser le rôle de la protéine Phg2 dans la motilité cellulaire. Phg2 est une kinase connue pour être impliquée dans la phagocytose et la motilité. Nous avons établi que Phg2 contrôle la polarisation cellulaire via son domaine de liaison aux protéines de type Ras, et joue également un rôle dans la polymérisation locale de l'actine via son domaine kinase. <br />Enfin, nous avons inactivé deux gènes codant pour des canaux calciques chez Dictyostelium, et les études préliminaires menées semblent indiquer qu'ils ne participent pas à la réponse calcique de la motilité induite par une contrainte.

La douleur est un mécanisme essentiel pour la survie, mais les douleurs chroniques sont souvent invalidantes. Les douleurs de longue durée sont une des premières causes de consultation médicale, et affectent 20% de la population. Par contre, les traitements actuels sont souvent inefficaces au long cours, avec un ratio bénéfice/risque faible. Il est ainsi une priorité majeure la recherche des nouveaux agents thérapeutiques. Pour ce faire, la compréhension de réseaux impliqués dans la douleur est essentielle.Plusieurs études ont montré que Cav3.2, un canal calcique à bas seuil, pourrait être une cible analgésique prometteuse. En fait, Cav3.2 est exprimé tout le long de voies douloureuses, au niveau périphérique ainsi qu’au niveau central. Notamment, Cav3.2 est fortement exprimé dans la corne dorsale de la moelle épinière, qui constitue le premier relai d’intégration de l’information douloureuse. De plus, grâce à son activation aux potentiels proche du repos, Cav3.2 est bien placé pour réguler l’excitabilité neuronale et l’intégration synaptique. Au cours de cette thèse nous avons étudié la distribution de ce canal dans les interneurones de la lamina II de la corne dorsale. Nos résultats montrent que le canal est exprimé dans différentes types d’interneurones (~60%), majoritairement excitateurs, mais aussi inhibiteurs. De façon intéressante, tous les neurones PKCγ, impliqués dans l’allodynie mécanique, expriment le canal Cav3.2. Nous avons ensuite utilisé une approche virale pour marquer et étudier les propriétés électrophysiologiques des neurones exprimant Cav3.2, ainsi que pour réprimer de façon spécifiques le canal dans la partie lombaire de la moelle épinière. Nos résultats montrent que Cav3.2 participe dans les rebonds dépolarisants sous-liminaires, dans les propriétés des potentiels d’action et dans les profils d’activité électrique de ces neurones. Ainsi, Cav3.2 pourrait jouer un rôle important dans les états douloureux au niveau spinal, caractérisés par des changements dans l’excitabilité. / Acute pain is essential for survival, but chronic pain is often invalidating. Prolonged pain states are one of the first causes of medical consultation, and they are experienced by as much as 20% of the population. However, our current analgesics are not fully reliable in alleviating chronic pains, with low beneficial/risk ratio. Thus, finding new pharmacological agents are a primordial objective. A better understanding of pain networks is necessary.Several studies have suggested that the T-type calcium channel, Cav3.2, might be a promising target for analgesics. Indeed, Cav3.2 is expressed all along pain pathways, both within the peripheral nociceptive track and within the central nervous system. Interestingly, Cav3.2 is strongly express in the dorsal horn of the spinal cord, which is the first relay for pain processing. Furthermore, thanks to their activation near resting potentials, Cav3.2 channels fit well in regulating neuronal excitability and synaptic integration.In this thesis, we have analyzed Cav3.2 expression in dorsal horn interneurons. Our results show that Cav3.2 is expressed in different types of interneurons (~60%), mostly excitatory, but also inhibitory. Interestingly, all PKCγ neurons, involved in mechanical allodynia, expressed Cav3.2. We then used a viral approach to label and study electrophysiological properties of Cav3.2-expressing neurons, and also to specifically delete this channel in the lumbar spinal cord. Our results show that Cav3.2 is involved in subthreshold depolarizations, in the properties of the action potentials and in the firing patterns of these neurons. Thus, Cav3.2 might play an important role in pain states at the spinal cord level, characterized by neuronal excitability alterations.

Les canaux calciques de type T Cav3.2 sont des régulateurs clés des fonctions sensorielles, et de fait sont également des cibles intéressantes pour le développement de nouveaux composés analgésiques pour le traitement et le management de la douleur. Malgré de récentes avancées dans l’identification de petites molécules organiques ciblant la famille des canaux Cav3.x/Type T, il reste encore à identifier un inhibiteur spécifique de Cav3.2. Le venin d’araignées contient une large diversité de neurotoxines incluant des modificateurs de gating des canaux calciques. En utilisant des canaux calciques recombinants, nous avons procédé à un criblage d’une bibliothèque de venins et avons identifié un nouveau peptide de 28 acides aminés (Psp3Tx1). La forme synthétique de ce peptide a été utilisé pour déterminer son profil de selectivité sur un panel de membres proches de la famille des canaux calciques (Cav) et sodiques (Nav) dépendants du voltage. Le peptide est sélectif pour le canal Nav1.7 (une cible largement validée dans le contexte des pathologies de la douleur) avec un effet complémentaire sur Cav3.2 à de fortes doses. In vivo chez la souris, le peptide possède des propriétés analgésiques avec des effets anti-hyperalgésiques et anti-allodyniques dans un contexte de douleur neuropathique. Ce peptide possède également un pouvoir analgésique dans un contexte de douleur spontanée induit par un agoniste des canaux Nav1.7. Les résultats présentés dans cette thèse sont encourageants pour la mise en place d’un projet amenant Psp3Tx1 au niveau clinique. / The T-type calcium channel Cav3.2 emerges as a key regulator of sensory functions, and therefore is an interesting drug target to develop innovative analgesic compounds for improved chronic pain management. Despite recent advances in the identification of small organic molecules targeting the Cav3.x/T-type calcium channel family, to date specific Cav3.2 inhibitors remains to be identified. Spider venoms proved to contain a large diversity of neurotoxins including gating modifiers of calcium channels. Using recombinant Cav3.2 channels, we performed a screening of a Tarantula venom library and identified a new 28 amino acid peptide (Psp3Tx1). The synthetic form of the peptide was used to determine its selectivity profile over a panel of closely related members of the voltage gated calcium (Cav) and sodium (Nav) channels. The peptide proved to be selective for the Nav1.7 channel (largely validated target in the context of pain pathologies) with an additional effect on Cav3.2 at more elevated doses. In vivo in mice, the peptide demonstrated to be an efficient analgesic molecule with anti hyperalgesic and antiallodynic properties in the context of neuropathic pain. This peptide also possess analgesic properties in a context of spontaneous pain induced by a Nav1.7 agonist. The results presented in this thesis are encouraging for the setup of a project taking Psp3Tx1 into clinical tests.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le gabapentin est une molécule lipophile dérivée de l'acide y-aminobutyrique (GABA). Ce médicament traverse la barrière hémato-encéphalique, se lie à la sous-unité α2β des canaux calciques voltage-dépendents de type Let réduit l'influx de Ca2+ dans les neurones de rat. Le gabapentin diminue la libération de la sérotonine dans le système nerveux central. Par contre, il n'affecte pas directement les récepteurs sérotoninergiques et ne modifie pas la recapture du neurotransmetteur. Des études animales et cliniques ont démontré que le gabapentin possède des propriétés anticonvulsivantes, anxiolytiques et analgésiques. Si l'activité anticonvulsivante du gabapentin peut être, du moins, en partie, expliquée par son effet inhibiteur sur les canaux calciques de type L, son mécanisme d'action anxiolytique est encore inconnu. A l'encontre des benzodiazépines qui influencent la neurotransmission GABAergique, le gabapentin n'affecte pas directement les cibles moléculaires de cette neurotransmission. L'implication de la neurotransmission sérotoninergique dans l'anxiété est supportée par l'efficacité thérapeutique des agonistes 5-HTIA et des inhibiteurs spécifiques de la recapture sérotoninergique, ainsi que par les propriétés anxiogéniques des agonistes 5-HTrn. Considérant ces observations, nous avons émis l'hypothèse que le gabapentin, en diminuant la libération de la sérotonine centrale, induirait des modifications de la densité des récepteurs 5-HT 1A et 5-HT rn, sans affecter pour autant les transporteurs. Pour évaluer cette hypothèse, nous avons étudié les effets de l'administration chronique du gabapentin sur la radio liaison de ligands spécifiques aux récepteurs 5-HT1A, aux récepteurs 5-HTrn et aux transporteurs sérotoninergiques du rat. Le gabapentin fut administré i.p. pendant 21 jours à 30 mg/kg et à 100 g/kg et comparé au salin. Les études topologiques ont été effectuées par autoradiographie quantitative en utilisant le [3H]citalopram pour la radioliaison aux transporteurs sérotoninergiques, le [3H]8-0HDPAT pour marquer les récepteurs 5-HTIA et le [3H]GR 125743 pour la radioliaison aux récepteurs 5-HTrn. La densité des récepteurs et des sites de recapture de la sérotonine a été évaluée par un analyseur d'images informatisé (MCID™) qui permet une haute résolution dans la quantification des densités optiques de films autoradiographiques. Les régions cérébrales analysées ont été les suivantes : le cortex ( cingulaire, frontal, parietal, enthorinal), le septum (latérodorsal et latérointermédiaire), les noyaux raphé (dorsal et médian), l'hippocampe (CAl,2,3 et DG), la substance noire, le globus pallidus, le noyau accumbens et caudéputamen (rostral et caudal). Nous avons trouvé que le traitement au gabapentin diminue la radioliaison du 8-0HDPAT tritié aux récepteurs 5-HT1A de l'hippocampe (le CAl et DG), du cortex frontal et du septum et réduit aussi la radioliaison du GR 125743 tritié aux 5-HTrn du DG hippocampique. Par contre, ce traitement n'affecte pas la radioliaison aux sites de recapture de la sérotonine. Une interprétation possible de nos résultats est que le gabapentin affecte les récepteurs sérotoninergiques de façon indirecte. En diminuant l'influx calcique dans les canaux calciques centraux, au niveau du cortex frontal, de l'hippocampe (CAl et DG) et du septum, le gabapentin pourrait entraîner une réduction de la libération de la 5-HT. La diminution de ce neurotransmetteur induirait alors une régulation à la baisse des autorécepteurs 5-HTrn dans le DG. Par ailleurs, la diminution de l'entrée du calcium provoquée par le gabapentin pourrait induire une baisse d'affinité des récepteurs 5-HT1A postsynaptiques pour leur ligand spécifique.

Ce manuscrit décrit la synthèse et l'évaluation biologique d'analogues de l'ω-agatoxine IVB dans le but de trouver de nouveaux outils pour l'étude de l'activité des canaux calciques. L'ω-agatoxine IVB est une neurotoxine peptidique isolée du venin d'araignée Agelenopsis aperta qui à ce jour est l'inhibiteur spécifique et sélectif des canaux calciques voltage-dépendants de type P/Q. Ces canaux sont impliqués dans la neurotransmission dépendante du Glutamate dans le système nerveux central. La synthèse de structures peptidiques simplifiées, en comparaison avec celle de la toxine native est décrite. La méthodologie de synthèse de différents analogues cycliques de cette neurotoxine est présentée. Les composés sont synthétisés par synthèse peptidique sur phase solide en stratégie Fmoc, avec une étude particulière sur les conditions de cyclisation et le choix des groupements protecteurs appropriés. Les modifications d es peptides naturels pour obtenir de nouveaux composés biologiquement actifs incluent l'insertion d'aminoacides non naturels et de liaisons pseudopeptidiques. Les analogues synthétisés ont été testés par des méthodes d'électrophysiologie (patch clamp) et d'imagerie calcium ; les activités biologiques des peptides sont corrélées à l'aide d'analyses structurales par RMN et modélisation moléculaire. / This manuscript describes the synthesis and biological valuation of w-agatoxin IVB mimetics with the intention of finding new tools for the study of calcium channels activity. w-Agatoxin IVB is a peptide neurotoxin isolated from the venom of spider Agelenopsis aperta which is a specific and selective inhibitor of P/Q-type voltage-dependent calcium channels. These channels are involved in Glutamate-dependent neurotransmission in the central nervous system. The synthesis of structurally simplified peptides, in comparison with native toxin is described. The methodology of synthesis of different cyclic analogues of this neurotoxin is presented. The compounds were synthesized by solid phase peptide chemistry and Fmoc strategy, with particular consideration for cyclization conditions and an insight into selection of protecting groups. The modifications of the natural peptide to get new biologically active compounds included the insertion of unnatura l amino acids and pseudopeptides bonds. The synthesized analogues were tested by methods of electrophysiology (patch clamp) and calcium imagery; the biological activities of peptides are compared with the aid of structural analyses by RMN and molecular modeling.

Les canaux Ca2+ activés par le voltage (CaV) sont des protéines membranaires qui génèrent des courants Ca2+ dans les cellules excitables suite à une dépolarisation membranaire. Ces complexes oligomériques sont classifiés selon les propriétés structurelles de la sous-unité principale qui forme le pore du canal, soit la sous-unité CaVα1. La sous-unité auxiliaire CaVβ module l’expression membranaire et la dépendance au voltage du « gating » de la sous-unité CaVα1 des canaux HVA (« high-voltage-activated ») CaV1 et CaV2. La sous-unité CaVβ est formée par un domaine SH3 (« Src homology-3 ») connecté à un domaine GK (« guanylate kinase-like ») par le biais d’un domaine variable HOOK. Dans le but d’identifier les résidus dans la CaVβ3 qui sont responsables de la densité membranaire du CaV2.3, nous avons produit des mutants de la sous-unité auxiliaire le long de ses domaines fonctionnels. Cela dit, la délétion complète du domaine SH3 ainsi que la délétion du domaine HOOK n’ont pas modifié la densité membranaire de CaV2.3 ni ses propriétés d’activation. Cependant, la délétion de cinq résidus dans le domaine GK interrompt l’expression membranaire et l’expression fonctionnelle de CaV2.3. La mutation de résidus identifiés précédemment comme soutenant une affinité de liaison de l’ordre du nanomolaire dans le domaine GK de CaVβ n’a pas modifié de manière significative l’adressage membranaire de CaV2.3. Toutefois, les mutations de quatre résidus leucine dans les régions α3, α6, β10 et α9 du domaine GK ont grandement réduit l’adressage membranaire du canal CaV2.3. Nos résultats confirment que le domaine GK contient les déterminants moléculaires responsables de la fonction chaperone de CaVβ. Cela dit, l’adressage membranaire induit par CaVβ semble être déterminé par des éléments structuraux qui ne sont pas strictement dépendants d’une liaison à haute affinité de CaVβ sur CaVα1. / Voltage-activated Ca2+ channels (CaV) are membrane proteins that play a key role in promoting Ca2+ influx in response to membrane depolarization in excitable cells. They form oligomeric complexes that are classified according to the structural properties of the pore-forming CaVα1 subunit. Auxiliary CaVβ subunits modulate cell-surface expression and voltage-dependent gating of high-voltage-activated (HVA) CaV1 and CaV2 α1 subunits. CaVβ subunits are formed by a Src homology-3 (SH3) domain and a guanylate kinase-like (GK) domain connected through a variable HOOK-domain. In order to identify the residues responsible for the CaVβ3-induced membrane density of CaV2.3, we produced mutants along CaVβ3’s fonctionnal domains. Complete deletion of the SH3 domain as well as deletion of the HOOK domain did not alter plasma membrane targeting of CaV2.3 nor its typical activation gating. In contrast, 5-residue deletions in the GK domain disrupted cell surface trafficking and functional expression of CaV2.3. Mutations of residues known to carry nanomolar affinity binding in the GK domain of CaVβ did not significantly alter cell surface density. Mutations of a quartet of leucine residues in the α3, α6, β10, and α9 regions of the GK domain, each expected to curtail protein-protein interaction, were found to significantly impair cell surface targeting of CaV2.3 channels. Altogether, our results confirm that the GK domain includes the molecular determinants carrying the chaperone function of CaVβ. However, CaVβ-induced cell surface targeting appears to be determined by structural elements that are not strictly dominated by high-affinity binding of CaVβ onto CaVα1.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le diabète de type 2 établi, l'hyperglycémie chronique, un taux élevé d'acides gras libres et l'inflammation induisent un stress oxydatif (SO) au niveau de la cellule beta. Le SO, qui apparaît dès le stade de pré-diabète, peut induire un dysfonctionnement précoce de cette cellule. Ainsi, la protection de la cellule β par des molécules anti-oxydantes pourrait ralentir la progression du pré-diabète au diabète.La quercétine, un flavonoïde, a présenté des propriétés antidiabétiques dans plusieurs études in vivo. Cependant, très peu de données traitent de son mécanisme d'action directement au niveau de la cellule beta. Dans ce contexte, nous avons étudié les effets de la quercétine au niveau de la cellule beta dans des conditions physiologiques et des conditions de SO.Nos résultats montrent qu'en présence de concentrations stimulantes de sécrétagogue, la quercétine potentialise la sécrétion d'insuline par un mécanisme impliquant l'augmentation de calcium intracellulaire et la potentialisation de ERK1/2 via l'activation des voies de la PKA et de la CaMK II. De plus, la quercétine protège la cellule beta du SO en sur-activant ERK1/2. Le resvératrol et la NAC, deux antioxydants de référence, sont inactifs dans ces conditions expérimentales.En absence de concentrations stimulantes de sécrétagogue, la quercétine induit une sécrétion d'insuline modérée en augmentant le calcium intracellulaire suite à une activation directe des CaV de type L. Dans ces conditions, l'activation de ERK1/2 induite par la quercétine, qui est indépendante de l'activation des voies de la PKA et de la CaMK II, ne serait pas impliquée dans le mécanisme sécrétoire. Nos résultats indiquent que le mécanisme d'action de la quercétine au niveau de la cellule β ne repose pas uniquement sur ses capacités anti-oxydantes mais fait intervenir des cibles pharmacologiques et la régulation de voies de signalisation intracellulaires. / In type 2 diabetes, chronic hyperglycaemia, elevated free fatty acids and inflammation induce oxidative stress (OS) in pancreatic β cell. SO, which appears at the stage of pre-diabetes, may induce early dysfunction of this cell. Thus, the β cell protection by antioxidant molecules could slow the progression of pre-diabetes to diabetes.Quercetin, a flavonoid, has shown antidiabetic properties in several in vivo studies. However, very few data address its mechanism of action directly at the β cell. In this context, we studied the effects of quercetin at the β cell under physiological conditions and conditions of OS.Our results show that in the presence of stimulating concentrations of secretagogue, quercetin potentiates insulin secretion by a mechanism involving increased intracellular calcium and potentiation of ERK1 / 2 via activation of the PKA and the CaMK II pathways. In addition, quercetin protects beta cell from OS via a suractivation of ERK1/2. Resveratrol and NAC, two antioxidants of reference are inactive under these experimental conditions.In the absence of stimulating concentration of secretagogue, quercetin induced moderate insulin secretion by increasing the intracellular calcium via a direct activation of L-type CaV Under these conditions, the activation of ERK1/2 induced by quercetin, which is independent of the activation pathways of PKA and CaMK II to, would not be involved in the secretory mechanism.Our results indicate that the mechanism of action of quercetin at the β cell not only based on its antioxidant capacity but involves pharmacological targets and the regulation of intracellular signaling pathways.