Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Sur la p. de t. "v" est en indice. Bibliogr.: f. 77-93. Publié aussi en version électronique.

Les canaux sodiques voltages dépendants sont responsables de la phase ascendante du potentiel d'action et jouent un rôle important dans l'initiation du potentiel d'action et de sa propagation dans les cellules excitables. Les canaux sodiques sont constitués d'une sous-unité a formant le pore, associée à plusieurs sous-unités p auxiliaire. La sous-unité a est formée de quatre domaines homologues (I-IV), chacun d'eux étant composé de six segments hydrophobiques (S1-S6). Seule la principale sous-unité a est nécessaire à l'expression fonctionnelle, mais les sous-unités p ont une action modulatrice sur la localisation et les propriétés fonctionnelles de la sous-unité a. Suite à des lésions du nerf, les neurones de ganglions dorsaux deviennent hyperexcitables. Les ganglions dorsaux expriment une combinaison de canaux sodiques de cinétique rapide sensibles à la TTX et de canaux de cinétique lente résistants à la TTX. Ces canaux jouent un rôle important dans la douleur chronique. Deux canaux sodiques distincts ont été clones à partir des ganglions dorsaux, Navl .7 et Nav1.8. Ils codent respectivement pour les canaux sensibles et résistants à la TTX. Même si Nav1.8 exprime bien dans les ovocytes de Xenopus laevis, les essais dans les lignées cellulaires de mammifères n'ont pas abouti. Matériels et Méthodes: Dans cette étude, nous avons recherché les déterminants de Nav1.8 dans les cellules de mammifères en utilisant une combinaison d'immunobuvardage et d'électrophysiologie. Résultats: Notre étude révèle que l'expression faible de Nav1.8 dans les cellules de mammifère est reliée à un défaut de trafficking qui emprisonne la protéine canal dans le réticulum endoplasmique. Si on incube les cellules tsA201 avec l'anesthésique local lidocaine, l'expression de Nav1.8 est considérablement augmentée. Les propriétés biophysiques du courant Nav1.8 exprimé dans un système d'expression hétérologue reproduisent celles de la composante du courant Na+ résistant à la TTX mesuré dans les neurones des ganglions dorsaux de rat. Conclusion: Nos résultats indiquent que la lidocaine, un bloqueur du canal sodique, agit comme un chaperon chimique qui stabilise le canal Nav1.8 dans sa conformation native et augmente donc le niveau d'expression de Nav1.8. / Voltage-gated sodium channels are responsible for the rising phase of action potentials. They play an important role in the initiation and propagation of action potential in excitable cells. Sodium channels consist of a pore-forming a subunit, associated with auxiliary p subunit. One a subunit consists of four homologous domains (I-IV), each composed of six hydrophobic segments (S1-S6). Dorsal root ganglion (DRG) neurons express a combination of rapidly gating TTX-sensitive and slowly gating TTX-resistant Na current. Two distinct Na channels have been cloned from the DRG that appear to account for the majority of this Na current. The Nav1.7 and Nav1.8 channels encode for rapidly inactivating TTX-sensitive and slowly inactivating TTX-resistant Na currents respectively. These two channels contribute significantly in pain pathways. Nav1.7 has a highly significant role in determining inflammatory pain thresholds, and Nav1.8 is the decisive role in maintaining the hypersensitivity of primary afferent neurons following nerve injuries. Although the cloned Nav1.8 expresses well in Xenopus oocytes, attempts the express the Nav1.8 channel in mammalian expression Systems have been met with limited success even in the presence of known sodium channel accessory p subunits. Methods: In this study we investigated the important determinants of Nav1.8 expression in mammalian cells using a combination of immunochemistry and patch-clamp technique. Results: Our study revealed that the low expression of Nav1.8 in mammalian cells is related to a trafficking defect that traps the channel protein in the endoplasmic reticulum. Incubating the tsA201 cells with the local anesthetic lidocaine dramatically enhances Nav1.8 expression. The biophysical properties of the heterologously expressed Nav1.8 current accurately reproduce those of the TTX-resistant component of Na current recorded from native DRG neurons. Conclusion: Our data indicates that lidocaine, a sodium channel blocker, can act as a chemical chaperone that stabilizes Nav1.8 channels in its native conformation therefore increases the expression of Nav1.8.

Une majorité de neurones du noyau préoptique médian (MnPO) chez le rat sont sensibles aux variations de la concentration extracellulaire de sodium (Na⁺). L'objectif de cette étude était de déterminer le mécanisme cellulaire impliqué dans la détection du Na⁺ dans le MnPO. Pour étudier ce mécanisme, des enregistrements électrophysiologiques ont été réalisés sur des neurones dissociés et des neurones présents dans une tranche de l'hypothalamus. On a d'abord démontré la présence de "senseurs" de Na⁺ dans les neurones du MnPO. Ensuite, on a déterminé que la détection du Na⁺ extracellulaire était spécifiquement attribuée à un flux d'ions Na⁺ à travers un canal de fuite bloqué par le rubidium. Les propriétés de ce canal étaient similaires à celles d'un canal sodique. Même si cela reste à confirmer, la présence d'ARNm codant pour le canal Nax dans le MnPO fait de ce canal un candidat potentiel.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les canaux sodiques permettent la génération de potentiels d'action. Ceux-ci sont nécessaires à l'excitabilité cellulaire. Ainsi, les canaux sodiques permettent la génération et la propagation de l'influx nerveux. Ils permettent aussi la contraction des muscles squelettiques et du muscle cardiaque. Un dysfonctionnement dans ces canaux peut être à l'origine d'un vaste spectre de phénotypes pathologiques neuronaux tels que l'épilepsie, la douleur chronique, l'incapacité à ressentir la douleur, neuromusculaires tel la paramyotonie congénitale ou cardiaques tels certaines arythmies cardiaques ou la cardiomyopathie dilatée. L'étude des altérations des propriétés biophysiques des canaux sodiques permet de fournir un point de départ dans l'étude des mécanismes menant aux phénotypes pathologiques en plus d'orienter les traitements. Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur une mutation permettant la création d'un pore alternatif dans le canal sodique. Nous avons caractérisé les propriétés du pore et les régions de la protéine où il est possible de créer un tel pore.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 79-87. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

La fonction du canal sodique cardiaque est cruciale pour l'initiation, la propagation et le maintien d'un rythme cardiaque normal. Le rôle crucial de Nav1.5 dans la fonction cardiaque a été mis en évidence par l'identification de mutations naturelles au niveau de son gène (SCN5A). Les mutations sur le gène SCN5A sont associées à de nombreuses maladies génétiques telles que: le syndrome de Brugada, le syndrome du QT long et les troubles de conduction. Le point commun à ces pathologies est les arythmies cardiaques qui peuvent mener à la mort subite. Ces mutations sur ce gène n'explique cependant que 20% des cas connus (cas du syndrome de Brugada) (Antzelevitch, 2006). D'où l'implication d'autres facteurs, comme les partenaires de Nav1.5, dans ces pathologies est une éventualité émergente. Objectif: Pour une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces arythmies cardiaques, nous nous proposons dans ce projet d'identifier et de caractériser de nouveaux partenaires de Nav1.5. Méthodes: Les interacteurs potentiels de Nav1.5 sont identifiés par la méthode du double hybride chez la levure. Les interactions sont ensuite confirmées in vivo et in vitro par les méthodes de co-immunoprécipitation et de pull-down. Les effets de ces partenaires sur l'activité de Nav1.5 sont évalués par la méthode du patch clamp en configuration "cellule entière". La co-localisation tissulaire de Nav1.5 avec ses partenaires est obtenue par la microscopie confocale. Résultats: Deux nouveaux partenaires de Nav1.5 ont été identifiés: 1) l'a-actinine-2 qui interagit avec la porte d'inactivation et 2) la troponine I cardiaque (Tnlc) qui se lie à la boucle cytoplasmique I-II. L'a-actinine-2 se fixe via son domaine spectrine sur la porte d'inactivation de Nav1.5 et augmente ainsi son expression à la surface membranaire. L'a-actinine-2 se co-localise avec Nav1.5 dans les tubules T des cardiomyocytes humains. Quant à la troponine I, elle s'associe avec deux régions de la boucle I-II de Nav1.5 par le biais de sa région C-terminale. La Tnlc déplace la courbe d'inactivation de ce canal vers des valeurs plus hyperpolarisées sans affecter son expression à la surface membranaire. Toute fois, cet effet de la Tnlc disparaît en présence de la sous-unité pi de Nav1.5. Conclusion: L'identification de l'a-actinine-2 et la Tnlc représente une étape importante dans la compréhension des mécanismes régulant l'activité de Nav1.5 d'une part et d'autre part servira à décrypter les mécanismes moléculaires sous-tendant la complexité des arythmies cardiaques.

Le canal sodique cardiaque, appelé Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, joue un rôle crucial dans la formation des potentiels d'action (PA) et influence la vitesse de conduction (CV). Son implication dans les pathologies cardiaques est significative, car de nombreuses mutations du gène *SCN5A*, codant pour Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, sont associées à des troubles du rythme cardiaque, tels que le syndrome du QT long de type 3 (LQT3) et la fibrillation auriculaire (FA) familiale. De plus, les patients atteints de dystrophie myotonique de type 1 (DM1), une maladie génétique caractérisée par une myotonie et une faiblesse musculaire progressive, présentent fréquemment des arythmies cardiaques, bien que les mécanismes sous-jacents restent mal compris. Depuis ces dernières années, les cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines induites à la pluripotence (hiPSC-CM) constituent un modèle cellulaire pertinent pour étudier les pathologies cardiaques humaines. Bien que différents des cardiomyocytes adultes, les hiPSC-CM permettent de modéliser les phénotypes observés chez les patients, offrant ainsi un aperçu précieux des mécanismes pathologiques et des réponses thérapeutiques potentielles. Mon projet de doctorat porte sur la caractérisation de l'activité du canal sodique Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ et son rôle dans les hiPSC-CM ventriculaires (vCM) et auriculaires (aCM) chez des individus sains et malades. Nous cherchons à déterminer les différences entre ces deux types cellulaires et à examiner l'implication de Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ dans la physiologie cardiaque normale et pathologique. Nous avons étudié quatre mutations différentes : la mutation delQKP associée au LQT3 et trois mutations liées à la FA, appelées K1493R, M1875T et N1986K. Enfin, nous avons caractérisé deux lignées de patients adultes atteints de DM1 diagnostiqués cliniquement avec des troubles de conduction cardiaque. Nous avons utilisé deux protocoles de différenciation différents pour obtenir des vCM et des aCM, les aCM étant obtenus par ajout d'acide rétinoïque (RA) au kit de différenciation de Stemcell Technologies. La spécification auriculaire des aCM a été validée moléculairement par la mesure de l'expression de gènes auriculaires et ventriculaires, ainsi que par Patch- clamp et imagerie optique. Les aCM ont montré un petit courant sodique I$_\textup{Na}$ et des propriétés biophysiques de Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ modifiées, corrélées à l'expression différentielle des sous-unités β régulatrices. Nous avons créé deux modèles dépourvus de Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ (*knock-out*, KO) en utilisant l'outil CRISPR-Cas9 afin d'examiner ce canal dans les hiPSC-CM. La création de ce modèle a démontré que l'absence de Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ entraîne des altérations majeures des propriétés électriques, de l'homéostasie calcique et des fonctions moléculaires des cardiomyocytes. Cette approche a révélé des interactions complexes entre Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ et ses partenaires protéiques. La restauration de Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ WT adulte par transfection a permis de corriger ces dysfonctionnements, confirmant son rôle crucial dans la régulation des processus cardiaques. L'inversion des proportions des isoformes adultes et fœtales de *SCN5A* a permis, pour la première fois, d'obtenir un courant I$_\textup{Na}$ mature dans les hiPSC-CM. Cela a permis une évaluation plus fidèle des mutations liées au LQT3 et à la FA dans un contexte humain adulte. L'étude des lignées hiPSC de patients atteints de DM1 a révélé un mauvais épissage de *SCN5A* et son impact sur l'activité électrique, la conduction et l'homéostasie calcique des cardiomyocytes. Nous avons pu détailler les mécanismes sous-jacents des anomalies auriculaires. En conclusion, notre étude a révélé plusieurs aspects novateurs du rôle et de la régulation de Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, notamment son implication dans la cardiogenèse, les différences entre les aCM et vCM, ainsi que son interaction avec les connexines et son influence sur la CV dans un contexte humain. Un gain ou une perte de fonction du canal Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ entraîne des modifications significatives de ses propriétés biophysiques, ce qui altère l'activité électrique et favorise la genèse d'événements arythmiques, comme observés chez les patients atteints de LQT3, de FA et de la DM1. Nos recherches ont enrichi nos connaissances, mais il reste encore beaucoup à découvrir pour mieux comprendre la complexité des mécanismes ioniques et électriques chez l'humain. Les résultats obtenus ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de stratégies futures en recherche fondamentale et clinique, notamment dans la compréhension des mécanismes des arythmies et le développement de traitements personnalisés. / The cardiac sodium channel, Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, plays a vital role in triggering and shaping cardiac action potentials (AP) and defines the conduction velocity (CV) within the heart. Numerous mutations in the *SCN5A* gene, which encodes Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, have been associated with arrhythmic disorders, including congenital type 3 long QT syndrome (LQT3) and familial atrial fibrillation (AF). Additionally, patients with type 1 myotonic dystrophy (DM1), a genetic disease characterized by myotonia and progressive muscle weakness, frequently exhibit cardiac arrhythmias, although the underlying mechanisms remain poorly understood. In recent years, induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) have emerged as a relevant cellular model for studying human cardiac pathologies. Although different from adult cardiomyocytes, hiPSC-CMs can model phenotypes observed in patients, providing valuable insights into pathological mechanisms and potential therapeutic responses. My project focuses on characterizing the activity of the Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ channel and its role in ventricular (vCM) and atrial (aCM) hiPSC-CMs in both healthy and diseased individuals. We aim to determine the differences between these two cell types and examine the involvement of Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ in normal and pathological cardiac context. We studied four different mutations: the delQKP mutation associated with LQT3 and three mutations linked to AF, namely K1493R, M1875T, and N1986K. Finally, we characterized two hiPSC lines clinically diagnosed with DM1 and cardiac conduction disorders. We used two different differentiation protocols to obtain vCM and aCM, with aCM being obtained by adding retinoic acid (RA) to the differentiation kit from Stemcell Technologies. Atrial specification was validated by measuring the expression of atrial and ventricular genes, as well as through Patch-clamp and optical imaging. The aCM exhibited a small I$_\textup{Na}$ current and modified biophysical properties of Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, correlated with the differential expression of regulatory β subunits. We created two Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ knock-out (KO) models using the CRISPR-Cas9 tool to examine this channel in hiPSC-CM. This model demonstrated that the absence of Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ leads to significant alterations in the electrical properties, calcium homeostasis, and molecular functions of cardiomyocytes. This approach revealed complex interactions between Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ and its protein partners. Restoring adult WT Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ through transfection normalized these alterations, confirming its crucial role in regulating molecular cardiac functions. For the first time, the inversion of the proportions of adult and fetal *SCN5A* isoforms enabled the maturation of the I$_\textup{Na}$ current in hiPSC-CM, allowing a more accurate assessment of LQT3- and AF-related mutations in an adult human context. The study of hiPSC lines from DM1 patients revealed mis-splicing of *SCN5A* and its impact on electrical activity, conduction, and calcium homeostasis in cardiomyocytes, detailing the underlying mechanisms of atrial abnormalities. In conclusion, our study revealed several novel aspects of the role and regulation of Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$, including its involvement in cardiogenesis, differences between aCM and vCM, and its interaction with connexins and impact on CV in a human context. Gain or loss of function of the Na$_\mathsf{V}\mathsf{1.5}$ channel leads to significant alterations in its biophysical properties, impacting electrical activity and promoting the genesis of arrhythmic events, as observed in patients with LQT3, AF, and DM1. Our research has enriched our knowledge, but there is still much to discover to better understand the complexity of ionic and electrical mechanisms in humans. The results obtained open new perspectives for the development of future strategies in fundamental and clinical research, particularly in understanding arrhythmia mechanisms and developing personalized treatments.

Les canaux sodiques dépendants du voltage (Nav) sont des protéines transmembranaires largement exprimées au sein de l’organisme. Ils sont responsables de l’initiation des potentiels d’action au niveau des cellules excitables et régissent ainsi de nombreuses fonctions physiologiques telles que les fonctions cognitives et sensorielles, les fonctions motrices et la fonction cardiaque. Au niveau du coeur, le sous-type Nav1.5 est majoritairement exprimé à la surface des cardiomyocytes. Leurs dysfonctions sont traditionnellement associées à de nombreux troubles électriques cardiaques. Des mutations de ces canaux ont récemment été reliées au développement d’un phénotype clinique complexe associant diverses arythmies et la cardiomyopathie dilatée (DCM), une atteinte morphologique. L’objectif de mon doctorat a donc été l’identification mais aussi la caractérisation d’un potentiel défaut biophysique commun à l’ensemble des mutations Nav1.5 associées au développement de ce phénotype clinique atypique. Premièrement, nous nous sommes intéressés à deux mutations des canaux Nav1.5 retrouvées chez des patients atteints de DCM, et dont les altérations biophysiques ont été décrites comme divergentes. L'étude parallèle de ces deux mutants nous a amenés à identifier une caractéristique commune : la création d’une nouvelle voie de perméation alternative au sein des canaux Nav1.5, le pore oméga. Dans un second temps, nous avons souhaité consolider l’association entre la création du pore oméga et le développement pathologique. Cette seconde étude portant sur deux autres mutants Nav1.5 a permis de confirmer l’apparition d’un pore oméga et ainsi d’accroître la suspicion du caractère délétère de ce pore oméga. Finalement, à l’aide d’une cinquième mutation des canaux Nav1.5, nous avons investigué les conséquences physiopathologiques de la création d’un pore oméga. Cette étude, a clairement démontré les conséquences néfastes d'un tel pore au niveau de l’homéostasie ionique cellulaire. Ces perturbations se répercutent par la suite sur les signaux électriques, les propriétés morphologiques mais aussi fonctionnelles des cardiomyocytes. Les études menées lors de mon doctorat ont ainsi abouti à l'identification du pore oméga comme étant une caractéristique biophysique commune aux mutations des canaux Nav1.5 associées au développement des arythmies et de la dilatation cardiaque. / Voltage gated sodium channels (Nav) are broadly expressed in the human body. They are responsible for the initiation of action potentials (AP) in excitable cells. They underlie several physiological processes such as the cognitive, the sensitive, the motor and the cardiac functions. Nav1.5 channel is the main Nav expressed in the heart. Their dysfunctions are usually associated to the development of pure electrical disorders. However, mutations of Nav1.5 have recently been linked to the development of an atypical clinical phenotype combining complex arrhythmias and dilated cardiomyopathy (DCM). The main objective of my thesis has been to identify and characterize a common biophysical defect for all Nav1.5 mutations located in the channel’s voltage sensitive domains (VSDs) and associated with the atypical clinical phenotype. We were first interested in the case of two families of patients who displayed the same clinical phenotype although they carried two different Nav1.5 mutations, which have been reported to induce divergent biophysical defects. We identified a new alternative permeation pathway (called omega pore or gating pore) in the VSD of mutant Nav1.5 channels. This omega pore might constitute a common biophysical defect for all Nav1.5 mutations located in the channel’s VSDs. The second axe consisted in strengthening the association between mutations in the VSD of Nav1.5 and the creation of a gating pore. This research, based on the study of two other Nav1.5 mutations, confirmed the creation of an omega pore and increased the suspicion of the cardiovascular pathogenic potential of such an alternative permeation pathway. Finally, we studied a fifth Nav1.5 mutation. We used this mutation to characterize the pathological consequences of the creation of an omega pore. This study revealed that the creation of an omega pore disrupts the ionic homeostasis of cardiomyocytes. This homeostatic imbalance then affects electrical signals, cell morphology and also the function of cardiac myocytes. The studies of my thesis permitted to identify the omega pore as a potential common biophysical defect of Nav1.5 mutations located in the channel’s VSDs and associated to the arrhythmias and DCM. Furthermore, we also identified the pathological mechanism linking these mutations and the observed atypical clinical phenotype.

Les canaux sodiques sont des protéines membranaires d'une importance primordiale. Ils sont impliqués dans le déclenchement des potentiels d'action et sont nécessaires à l'excitabilité des cellules. Ils participent à la contraction des muscles striés squelettiques, cardiaques et lisses. Des dysfonctionnements de ces canaux, dûs à des mutations, peuvent engendrer de graves pathologies et atteintes cardiaques telles que le syndrome du QT long, le syndrome de Brugada, ou la cardiomyopathie dilatée. L'étude de ces mutations constitue un enjeu essentiel dans la compréhension des mécanismes de ces canaux et du développement des pathologies associées. Plus les connaissances avancent et plus il devient alors possible d'envisager des études précises sur le développement des traitements appropriés. Cette étude se concentre sur l'analyse de deux nouvelles mutations du gène SCN5A codant pour le canal Nav1.5, et a permis de mettre en évidence les caractéristiques biophysiques dysfonctionnelles de ces mutants et de confirmer le diagnostic médical. / Sodium channels are important transmembrane proteins. They are involved in the upstroke of action potential and they are necessary for the cardiac cell excitability. Their dysfunctions caused by mutations can lead to serious pathologies and cardiac impairments such as long QT syndrome, Brugada syndrome, dilated cardiomyopathy and even sudden death. The study of these mutations is a key step toward the comprehension of the pathophysiological mechanisms involved. The knowledge progress allows to lead accurate studies on drug development. This study focused on the analysis of two novel SCN5A mutations and allowed to highlight the dysfunctional biophysic characteristics of these mutants and to confirm the medical diagnosis.