La polarité et l'efficacité de la transmission GABAergique dépendent de la concentration intra-neuronale en chlore. Dans les neurones matures, le co-transporteur K+/Cl- KCC2 maintient la concentration intracellulaire en chlore à un niveau bas, permettant ainsi une réponse inhibitrice du GABA. En plus de son rôle dans la transmission GABAergique, KCC2 régule aussi l'efficacité de la transmission glutamatergique en contrôlant la spinogenèse, l'exocytose et la dynamique membranaire des récepteurs AMPA. Du fait de son importance aux synapses excitatrices et inhibitrices, il est crucial de comprendre les mécanismes qui régulent l'expression membranaire et la fonction de KCC2. La régulation de KCC2 par l'activité glutamatergique excitatrice ayant été bien caractérisée, il reste à déterminer si l'expression et la fonction de KCC2 sont régulées par l'activité inhibitrice GABAergique. Pendant ma thèse, j'ai montré que KCC2 est en effet directement régulé par la transmission GABAergique. J'ai trouvé que l'activation aigue des RGABAA confine KCC2 dans la membrane alors que le blocage des RGABAA augmente la dynamique membranaire et l'internalisation du transporteur. Les mécanismes moléculaires impliquent le chlore comme messager secondaire, la kinase WNK1 et la phosphorylation de KCC2 sur des résidus thréonines clés. J'ai ensuite pu montrer que cette régulation à un impact aux synapses inhibitrice et excitatrice. Mon travail propose un mécanisme nouveau de la régulation de l'homéostasie du chlore par l'inhibition GABAergique. Ainsi les neurones peuvent compenser une augmentation ou une diminution en chlore neuronale par une adaptation rapide de KCC2 à la surface cellulaire. / The polarity and efficacy of GABAergic neurotransmission depends on the intraneuronal chloride concentration. In mature neurons chloride extrusion by the K+/Cl- co-transporter KCC2 permits an inhibitory influx upon activation of GABAA receptors. In addition to its role in GABAergic transmission, KCC2 regulates also glutamatergic transmission in an ion-independent manner by controlling spinogenesis and AMPAR exocytosis and membrane diffusion in dendritic spines. Knowing its pivotal role at central synapses, it is of particular importance to understand the cellular and molecular mechanisms underlying its regulation. While regulation of KCC2 by neuronal excitation is well documented, it is still unknown whether neuronal inhibition itself can regulate the transporter’s membrane expression and/or activity. During my PhD I was able to demonstrate a direct regulation of KCC2 membrane diffusion and stability by GABAA receptor-mediated inhibition and I characterized the underlying signaling cascade. I found that activation of GABAAR decreased KCC2 lateral diffusion while GABAAR blockade led to increased membrane dynamics and internalization of the transporter. I could show that KCC2 regulation by neuronal inhibition requires chloride as second intracellular messenger and chloride-sensing WNK1 kinase that directly phosphorylate KCC2 on key Threonine residues. This regulation has a functional impact at both excitatory and inhibitory synapses. My work reports a novel and rapid mechanism of control of chloride homeostasis by GABAA receptor-mediated inhibition that allows maintaining the polarity and activity of GABAA receptors constant.

Lors de la dégustation d'un vin, les tannins sont responsables de deux propriétés gustatives, l'amertume et l'astringence, respectivement dues à des associations avec les protéines salivaires et les récepteurs au goût amer. Néanmoins, leurs intensités perçues en bouche vont dépendre de multiples facteurs, notamment la présence de molécules externes aux complexes tannin-protéine tel que les lipides, qu'ils soient situés au niveau des membranes buccales ou issus de l'alimentation. L'objectif de cette thèse a ainsi été d'examiner l'impact des lipides sur ces sensations organoleptiques. Pour ce faire, cette étude, réalisée principalement par RMN, s'est intéressée aux interactions tannin-lipide sur des modèles de membranes buccales et d'émulsions de gouttelettes lipidiques. Nous avons pu alors étudier l'interaction tannin-lipide en termes de localisation, d'affinité et de dynamique. Nos résultats montrent dans un premier temps une localisation du tannin à l'interface de tous les modèles utilisés. En outre, l'insertion de tannins au niveau des vésicules multilamellaires, modèle utilisé pour mimer les membranes buccales, entraîne une fluidification de ce système lipidique. Il a été montré que cet effet fluidifiant dépend de la structure du tannin, de la présence d'éthanol et de la teneur en cholestérol du système lipidique. Enfin, un protocole permettant d'obtenir les constantes d'associations tannin-lipide par RMN a été établi. Ces dernières se sont révélées du même ordre de grandeur que celles relatives aux interactions tannin-protéine salivaire. Ces résultats montrent que les lipides auraient une influence d'une part sur l'astringence via une compétition entre les interactions tannin-lipide et les interactions tannin-protéines salivaires et d'autre part sur l'amertume en perturbant la dynamique de la membrane, ce qui pourrait induire une perturbation des récepteurs gustatifs.

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.

Lors de la dégustation d’un vin, les tannins sont responsables de deux propriétés gustatives, l’amertume et l’astringence, respectivement dues à des associations avec les protéines salivaires et les récepteurs au goût amer. Néanmoins, leurs intensités perçues en bouche vont dépendre de multiples facteurs, notamment la présence de molécules externes aux complexes tannin-protéine tel que les lipides, qu’ils soient situés au niveau des membranes buccales ou issus de l’alimentation. L’objectif de cette thèse a ainsi été d’examiner l’impact des lipides sur ces sensations organoleptiques. Pour ce faire, cette étude, réalisée principalement par RMN, s’est intéressée aux interactions tannin-lipide sur des modèles de membranes buccales et d’émulsions de gouttelettes lipidiques. Nous avons pu alors étudier l’interaction tannin-lipide en termes de localisation, d’affinité et de dynamique. Nos résultats montrent dans un premier temps une localisation du tannin à l’interface de tous les modèles utilisés. En outre, l’insertion de tannins au niveau des vésicules multilamellaires, modèle utilisé pour mimer les membranes buccales, entraîne une fluidification de ce système lipidique. Il a été montré que cet effet fluidifiant dépend de la structure du tannin, de la présence d’éthanol et de la teneur en cholestérol du système lipidique. Enfin, un protocole permettant d’obtenir les constantes d’associations tannin-lipide par RMN a été établi. Ces dernières se sont révélées du même ordre de grandeur que celles relatives aux interactions tannin-protéine salivaire. Ces résultats montrent que les lipides auraient une influence d’une part sur l’astringence via une compétition entre les interactions tannin-lipide et les interactions tannin-protéines salivaires et d’autre part sur l’amertume en perturbant la dynamique de la membrane, ce qui pourrait induire une perturbation des récepteurs gustatifs. / When tasting a wine, tannins are responsible of two gustative properties, bitterness and astringency, respectively due to association between tannins and salivary proteins or bitter receptors. However, perceived intensities depend on several factors, including the presence of external molecules such as lipids, either located in the buccal membranes or from food. The main objective of this thesis was to study the effect of lipids on these two organoleptic properties. For that, this study, carried out mainly by NMR, is interested in tannin-lipid interaction using several models of buccal membranes and lipid droplets. We have studied these interactions in terms of localization, affinity and dynamics. Our results show a localization of tannins at the interface of all studied lipid models. Then, the insertion of tannins in multilamellar vesicles, used to mimic buccal membranes, causes a fluidification effect on these systems. This effect depends on the structure of the tannin, the presence of ethanol and the cholesterol content of the lipid system. Finally, a protocol to determine the tannin-lipid association constants was developed. The latter have proved to be in the same order of magnitude as those for tannin-salivary protein interaction. These results show that lipids could have an influence on the one hand on astringency, due to the competition between tannin-lipid interaction and tannin-salivary protein interaction, and on the other hand on bitterness due to the disturbance of the buccal membrane dynamics, which could induce a disturbance of the gustative receptors.

Des pathologies telles que la myopathie et certains types de cancer, peuvent être causées par une mauvaise formation de l’enveloppe nucléaire (EN), processus se produisant lors de chaque division cellulaire mais aussi lors de la formation du pronoyau mâle. Un modèle in vitro, dérivé de gamètes d’oursins, a été utilisé afin d’étudier les différentes étapes de formation de l’EN et a permis de révéler plusieurs informations essentielles. Un des points critiques est que des membranes fortement enrichies en phosphoinositides polyphosphorylés (PPIs) sont essentielles à la formation de l’EN, notamment lors des étapes de fusion membranaire. Ces membranes proviennent du cytoplasme de l’ovocyte fécondé (MV1) et des noyaux de spermatozoïdes (NERs). Nous avons construit des modèles membranaires mimant les compositions lipidiques de ces membranes, puis étudié leur structure, leur dynamique ainsi que leur morphologie par spectroscopie de RMN des solides et microscopie électronique. Nous avons montré que les PPIs induisent une courbure membranaire positive, conduisant à la formation de petites vésicules ou de micelles allongées. Plus important encore, dans le modèle « MV1», les membranes sont très fluides. Le modèle « NERs » est constitué de membranes globalement ordonnées, semblables aux phases dites « liquides ordonnées » avec une modulation apportée par la PPIs. Nous avons également construit un modèle membranaire minant la composition lipidique des vésicules MV2, membranes non-enrichies en PPIs mais représentant 90 % des vésicules participant à la formation de l’EN. Ce modèle membranaire présente une dynamique intermédiaire à celle observée pour les modèles MV1 et NERs. Ces propriétés nouvelles ont permis de proposer un mécanisme décrivant le rôle des PPIs lors de la fusion membranaire conduisant à la formation de l’enveloppe nucléaire. / Diseases, such as myopathies and some types of cancer, can be caused by abnormal nuclear envelope (NE) assembly, a process that takes place at each cell division and during male pronuclear formation. A cell-free assay from sea urchin gametes, that mimics the in vivo male pronucleus formation, has been used to dissect the various stages of NE assembly. This in vitro assay has revealed several novel features. One of the critical aspects is that membranes highly enriched in polyphosphorylated phosphoinositides (PPIs), are essential for NE formation, especially during the stage of membrane fusion. Theses membranes are extracted from the cytoplasm of the fertilised oocyte (MV1) and sperm nuclei (NERs). We made model membranes with similar lipid composition to MV1 and NERs and studied their structure, dynamics and morphologies by solid-state NMR spectroscopy and electron microscopy. We show that PPIs have a positive membrane curvature, inducing small vesicles and elongated micelles. More importantly, we illustrate that “MV1-like” membranes are very fluid. “NERs-like” membranes are globally ordered and belong to the family of liquid ordered phases. We also evidenced that PPIs can counterbalance in part the ordering effect of cholesterol. Moreover we made model membranes with similar lipid composition to MV2, non-enriched in PPIs membranes which constitute 90% of the vesicles forming the NE. This model membrane shows an in-between dynamics compared to MV1 and NERs. We therefore propose a mechanism describing the role of PPIs during membrane fusion leading to nuclear membrane assembly.

Cette thèse porte sur les membranes biologiques, étudiées du point de vue de la physique théorique. Nous nous intéressons aux effets génériques de la présence d'une ou deux inclusions membranaires, par exemple des protéines, et à ceux d'une modification chimique locale de l'environnement de la membrane.<br /> Tout d'abord, nous étudions une interaction entre deux inclusions membranaires, qui est analogue à la force de Casimir : elle provient des contraintes que les inclusions imposent aux fluctuations thermiques de la forme de la membrane. Nous calculons les fluctuations de cette force entre deux inclusions ponctuelles. Nous clarifions la définition de la force exercée par un fluide corrélé sur une inclusion, dans un micro-état du fluide. Cette définition joue un rôle clé dans l'étude de la force de Casimir au-delà de sa valeur moyenne à l'équilibre. Nous étudions également les interactions de Casimir entre des inclusions membranaires de forme allongée.<br /> Ensuite, nous nous intéressons à l'élasticité membranaire à l'échelle nanométrique, qui est mise en jeu dans les déformations locales de l'épaisseur de la membrane à proximité de certaines protéines. Nous soulignons l'importance d'un terme énergétique qui a été négligé jusqu'à présent.<br /> Enfin, nous présentons une description théorique, développée à partir de principes fondamentaux, de la dynamique d'une membrane soumise à une perturbation chimique locale de son environnement. Nous comparons nos prévisions théoriques à de nouveaux résultats expérimentaux portant sur la déformation dynamique d'une membrane biomimétique soumise à une augmentation locale de pH.