The goal of this project is the development of artificial ion channels that can be actuated by light and thus controlled efficiently. Our artificial system is composed of two regions: the gate and the body part. The gate part is based on light-responsive azo groups while the body part is formed by calix[4]resorcinarene. Key of controlling mechanism is the conformational change between cis and trans isomers, which is translated into movement of the gate. Light-gated artificial ion channels are aimed at eliminating of the stochastic mechanism of artificial ion channels. Such a reversible photocontrol should be a powerful tool for using artificial ion channels as the basis for the development of new pharmaceuticals and drug delivery systems, as photoswitches, and in the field of microfluidics.

Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.

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Le canal calcique de type L, Cav1.2, joue un rôle clé dans le couplage excitation-contraction des myocytes ventriculaires. Il a été montré que la sous-unité Cavα1 était sujette à l’épissage alternatif et que ce phénomène pouvait mener à une protéine tronquée en C-terminal au niveau de l’exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). D’autres groupes ont étudié différentes délétions au niveau de l’extrémité C-terminale (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). Les courants mesurés dans la configuration cellule entière, était significativement plus grands que le canal « pleine longueur ». Nous avons décidé de tester certaines de ces délétions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) en présence ou en absence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, susceptible d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la sous-unité Cavα1 par l’intermédiaire de son domaine SH3 (Lao, Kobrinsky et al. 2008). Les résultats obtenus dans les ovocytes de Xénope ont mis en évidence que les sous-unités Cavα1.2 tronquées montraient des courants globaux plus élevés que le canal « pleine longueur » en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3 et que les sous-unités Cavα1.2 tronquées donnaient des courants en absence de la sous-unité Cavβ3 contrairement à la sous-unité Cavα1.2 « pleine longueur ». Afin de vérifier si l’augmentation des courants macroscopiques était le résultat d’une augmentation du nombre de sous-unités Cavα1.2 à la membrane, nous avons choisi de quantifier la fluorescence spécifiquement due à cette sous-unité en utilisant la méthode de cytométrie de flux (FACS : « Fluorescence Activated Cell Sorting »). L’épitope HA a été inséré dans une région extracellulaire de la sous-unité Cavα1 du canal calcique Cav1.2 et un anticorps anti-HA couplé au FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») a été utilisé pour observer la fluorescence. Nos résultats confirment que la sous-unité Cavα1-HA du canal calcique Cav1.2, s’exprime à la membrane plasmique en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, et qu’en absence de celle-ci, ne s’exprime que peu ou pas à la membrane. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les trois délétions testées dans les mêmes conditions soit Cavα1.2-HA ΔC1935, Cavα1.2-HA ΔC1856 et Cavα1.2-HA ΔC1733. Ensemble, ces résultats suggèrent que l’augmentation des courants macroscopiques observés après une délétion partielle du C-terminal n’est pas causée par une augmentation du nombre de protéines Cavα1.2 à la membrane. / The L-type calcium channel, Cav1.2, plays an important role in the excitation-contraction coupling of the ventricular myocytes. It has been shown that the alternative splicing of Cavα1.2 subunit could lead to a truncated protein in the C-terminus at exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). Many groups have studied deletions in the C-terminus (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). The currents, measured in the whole cell configuration, were significantly higher with the full-length channel. We chose to test some of these deletions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) in the presence or absence of the Cavβ3 auxiliary subunit which is likely to interact with the C-terminus of the Cavα1.2 subunit through its SH3 domain (Lao, Kobrinsky et al. 2008). The truncated Cavα1.2 subunit, expressed in Xenopus Oocytes, showed macroscopic currents that were greater than those of the full length channel in presence of the Cavβ3 subunit. In addition, the truncated Cavα1.2 subunits displayed currents in the absence of the Cavβ3 subunit in contrast with the Cavα1.2 full length subunit. To investigate whether the larger macroscopic currents resulted in an increase in the number of Cavα1.2 subunits at the plasma membrane, we chose the FACS (« Fluorescence Activated Cell Sorting ») method. An HA-tag was inserted in an extracellular region of the Cavα1.2 subunit and a FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») coupled anti-HA antibody was used to measure fluorescence. Our results showed that the Cavα1.2-HA subunit of L- type channel is expressed at the plasma membrane in the presence of the Cavβ3 subunit whereas the Cavα1.2-HA subunit is slightly or not expressed at the plasma membrane in its absence. The same results were obtained for the three C-terminal deletions tested under the same conditions (CaVα1.2-HA ΔC1935, CaVα1.2-HA ΔC1856 and CaVα1.2-HA ΔC1733). Taken together, these results suggest that the increased macroscopic currents observed after a partial deletion of the C-terminus is not caused by an increased number of Cavα1.2 proteins expressed at the plasma membrane. Keywords:

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal. / Voltage-gated potassium channels are formed of four subunits, each one with six transmembrane segments (S1-S6) and a loop (p-loop) between S5 and S6 at the level of the pore. It is known that the voltage sensitive segment (S1-S4) undergoes a movement upon membrane potential changes. To open the channel, it is necessary to transfer the energy of the voltage sensor (generated by the displacement of the positive charges of S4) to the pore. The exact mechanism of this “electromechanical coupling” is still under investigation. The voltage sensor and pore are physically linked by the S4-S5 linker (S45L). The aim of this study is to determine the influence of S45L flexibility on the coupling process. In the S45L, three glycines are distributed at different positions and are responsible for the flexibility of the alpha-helix. These glycines (but not their exact position) are conserved within the potassium voltage-gated ion channels. The glycines were each replaced by an alanine using point mutagenesis. In a second step, a proline was introduced at the position in order to introduce a break in the helix. To study the behaviour of channels in this new conformation, we used the patch clamp technique to determine the effects during the pore opening (ionic current). With the cut-open voltage-clamp we determined the effects on voltage sensor movement (gating current) as well as the temporal correlation with the pore opening (ionic current). The data showed that when the flexibility of the S45L is reduced, the channel needs more energy to open. Exchange with proline suggests that the movement of the sensor is independent of pore opening.

Protein interactions are the basis of synaptic function, and studying these interactions on a molecular level is crucial for understanding basic brain function, as well as mechanisms underlying neurological disorders. In this thesis, kinetic and mechanistic characterization of synaptic protein interactions was performed by using surface plasmon resonance biosensor technology. Fragment library screening against the reverse transcriptase of HIV was included, as it served as an outlook for future drug discovery against ligand-gated ion channels. The protein-protein interaction studies of postsynaptic Ca2+ -binding proteins revealed caldendrin as a novel binding partner of AKAP79. Caldendrin and calmodulin bind and compete at similar binding sites but their interactions display different mechanisms and kinetics. In contrast to calmodulin, caldendrin binds to AKAP79 both in the presence and absence of Ca2+ suggesting distinct in vivo functional properties of caldendrin and calmodulin. Homo-oligomeric β3 GABAA receptors, although not yet identified in vivo, are candidates for a histamine-gated ion channel in the brain. To aid the identification of the receptor, 51 histaminergic ligands were screened and a unique pharmacology was determined. A further requirement for identifying β3 receptors in the brain, is the availability of specific high-affinity ligands. The developed biosensor assay displayed sufficient sensitivity and throughput for screening for such ligands, as well as for being employed for fragment-based drug discovery. AMPA receptors are excitatory ligand-gated ion channels, involved in synaptic plasticity, and modulated by auxiliary proteins. Previous results have indicated that Noelin1, a secreted glycoprotein, interacts with the AMPA receptor. By using biochemical methods, it was shown that Noelin1 interacts directly with the receptor. The kinetics of the interaction were estimated by biosensor analysis, thereby confirming the interaction and suggesting low nanomolar affinity. The results provide a basis for functional characterization of a novel AMPA receptor protein interaction. The results demonstrate how secrets of synaptic protein interactions and function were revealed by using a molecular based approach. Improving the understanding of such interactions is valuable for basic neuroscience. At the same time, the technical advancements that were achieved to study interactions of ligand-gated ion channels by surface plasmon resonance technology, provide an important tool for discovery of novel therapeutics against these important drug targets.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri--Columbia, 1998. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references (l. 140-148). Also available on the Internet.

Title: Molecular dynamics simulations of ion channel TRPA1 Author: Mgr. Vlastimil Zíma Institute: Institute of Physics of Charles University Supervisor: RNDr. Ivan Barvík, PhD., Institute of Physics of Charles Uni- versity Abstract: The ion channel TRPA1 is one of the members of the transient receptor potential channel family. These channels have recently been an im- portant objective of research, because they play important roles in various cellular processes and organismic mechanisms. Especially they are involved in most of the senses. We focused mainly on the TRPA1 ion channel due to its involvement in the pain sensation in humans. Because the molecular mechanisms behind the gating of this channel are not fully understood, their description is a key for a design of new analgesics targeting this channel. We used a homology modeling and molecular dynamics simulations in conjunc- tion with electrophysiological experiments to provide a valuable new insight into the channel mechanisms. We contributed by describing of a putative binding site for calcium ions. Further, many functionally important amino acids were found in the S1-S4 transmembrane domain. Keywords: voltage-gated ion channel, TRPA1 channel, molecular dynamics, homology modeling 1

Les canaux sodiques dépendants du voltage, ou canaux Nav, jouent un rôle capital dans l'excitabilité neuronale, dans la genèse et dans la propagation des potentiels d'action. Le canal Nav1.9 se distingue par une expression restreinte aux nocicepteurs et par des propriétés électrophysiologiques uniques qui, si elles excluent sa contribution à la phase dépolarisante du potentiel d'action, lui confèreraient un rôle dans la modulation de l'excitabilité des nocicepteurs. Ce travail de thèse vise à caractériser son implication dans la physiopathologie de la douleur par une approche comportementale, moléculaire et fonctionnelle. La première partie de ce travail consiste à étudier la contribution du canal Nav1.9 à la douleur inflammatoire. Nous avons donc réalisé différents tests comportementaux chez des souris knock-out (KO) et des rats traités par antisens (knock-down) modèles de douleur inflammatoire (aigu, subaigu, chronique). L'expression du canal ainsi que ses propriétés électrophysiologiques sont ensuite analysées chez ces mêmes modèles animaux. Notre premier constat est que le canal Nav1.9 n'est pas impliqué dans la réponse à une stimulation mécanique ou thermique chaude nociceptive chez des animaux sains. En revanche, l'hypersensibilité douloureuse thermique et mécanique induite par une inflammation subaiguë (carragénine intraplantaire) ou chronique (monoarthrite) est significativement réduite chez la souris KO Nav1.9. Un résultat similaire est obtenu par traitement antisens chez le rat, sur le modèle d'inflammation subaiguë. Chez la souris, suite à l'induction d'une inflammation subaiguë, une légère diminution suivie d'une forte augmentation de l'expression protéique du canal Nav1.9 est observée dans les ganglions rachidiens innervant la patte enflammée. Une augmentation de la quantité de canaux est également observée au niveau des troncs nerveux cutanés innervant cette même zone. Les canaux néosynthétisés ne contribuent pas au courant sodique enregistré en patch clamp dans les corps cellulaires des neurones des ganglions rachidiens, mais nos données suggèrent qu'ils sont exportés en direction des terminaisons nerveuses, où ils pourraient devenir fonctionnels et augmenter l'excitabilité cellulaire. La deuxième partie de ce travail de thèse consiste à caractériser l'implication de canal Nav1.9 dans la perception du froid et dans l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Nous avons en effet observé de manière inattendue que les souris KO Nav1.9 présentent des seuils de douleur au froid (<10°C) plus élevés que les souris sauvages. Ce phénomène est confirmé par plusieurs tests comportementaux chez les souris KO et chez des rats traités par antisens anti-Nav1.9. L'oxaliplatine, prescrit dans le traitement des cancers colorectaux, est connu pour induire une hypersensibilité au froid invalidante chez la majorité des patients. Nous avons donc décidé d'étudier la contribution du canal Nav1.9 à ce symptôme. Suite à une injection unique d'oxaliplatine, une forte hypersensibilité au froid apparait chez les souris dès 20°C. Nous montrons que le KO Nav1.9 permet de supprimer l'hypersensibilité au froid aux températures normalement non douloureuses (20 et 15°C, allodynie), et de réduire l'hypersensibilité aux températures douloureuses (10 et 5°C, hyperalgie). Le même effet est observé chez le rat après traitement antisens. En conclusion, ce travail permet de mettre en évidence l'intérêt du canal Nav1.9 en tant que cible pharmacologique potentielle pour le traitement de douleurs inflammatoires et de l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Il est de plus intéressant de constater que les seuils de réponse à des stimuli nociceptifs ne sont pas perturbés chez les souris KO Nav1.9 saines, à l'exception de la douleur provoquée par des températures froides extrêmes. Le blocage du canal Nav1.9 aurait donc des propriétés anti-hyperalgiques plutôt qu'antalgique, ce qui est conceptuellement intéressant. / Voltage-gated sodium channels, or Nav channels, play a key role in neuronal excitability and in the emission and propagation of action potentials. Among the different Nav isoforms, Nav1.9 is only expressed in nociceptors and shows atypical electrophysiological properties which, if they exclude a possible contribution to the depolarizing phase of the action potential, could be important for the modulation of nociceptors' excitability. This study aims to characterize the Nav1.9 implication in the pathophysiology of pain using behavioral, molecular and functional approaches. The first part of this work is to assess the Nav1.9 contribution to inflammatory pain. Therefore we have performed several behavioral tests in different inflammatory pain models (acute, subacute, chronic), using knock-out (KO) mice and rats treated with antisense oligodeoxynucleotides. Nav1.9 expression and electrophysiological properties are then analyzed within the same animal models. First, we observe that Nav1.9 channels do not contribute to pain perception in response to noxious heat or pressure in healthy animals. However, thermal and mechanical pain hypersensitivity induced by subacute (intraplantar carrageenan) or chronic (monoarthritis) inflammation is significantly lowered in Nav1.9 knock-out mice. Similar results are obtained on the subacute inflammation model using a knock-down strategy in rats. A weak reduction followed by a strong increase in Nav1.9 protein expression is observed in mice dorsal root ganglions innervating the inflamed paw during subacute inflammation. We also observe an increase in Nav1.9 immunolabeling in cutaneous nerve trunks innervating this zone. Whereas the newly produced channels do not contribute to the sodium current recorded in dorsal root ganglion cell bodies, as assessed by patch clamp, our data suggest that they are transported to nerve terminals where they could become functional and increase neuronal excitability. In the second part of this study, we aim to characterize the implication of Nav1.9 channels in cold perception and in oxaliplatin-induced cold hypersensitivity. Indeed, we surprisingly observed that Nav1.9 KO mice showed higher pain thresholds to intense cold (<10°C) than wild-type mice. This observation is confirmed by several behavioral tests in KO mice and in antisense-treated rats. As oxaliplatine (a platinum salt used to treat colorectal cancer) is known to induce cold pain hypersensitivity in most of the patients, we decided to study the Nav1.9 contribution to this symptom. Following acute oxaliplatin injection, a strong cold hypersensitivity is observed in wild-type mice at 20°C and below. We show that Nav1.9 KO results in a suppression of cold hypersensitivity to non-noxious temperatures (20 and 15°C, allodynia), and a reduction of hypersensitivity to noxious cold (10 and 5°C, hyperalgesia). A similar observation is made using Nav1.9 knock-down in rats. To conclude, our data shows that Nav1.9 could be potentially a good target to treat acute to chronic inflammatory pain, as well as oxaliplatin-induced cold hypersensitivity. Furthermore, as Nav1.9 is not involved in defining pain thresholds of healthy animals (except for noxious cold), its blockade would have anti-hyperalgesic rather than analgesic effects, which is conceptually interesting.

Les canaux activés par l’hyperpolarisation et sensibles aux nucléotides cycliques (hy- perpolarization cyclic nucleotide-gated channel; HCN) ont un rôle dans la régulation du rythme cardiaque ainsi que dans la transmission des influx nerveux. De nombreuses pathologies sont causées par un disfonctionnement de ces canaux. A ce jour, Ivabradine représente la seule molécule utilisée comme médicament, mais malgré sa spécificité en- vers les canaux HCNs, elle n’est pas sélective entre les isoformes de la famille HCN. Dans le but d’identifier une molécule plus adéquate pour le traitement qu’Ivabradine, nous avons analysé l’interaction entre les canaux HCNs et 9 bloqueurs connus garce à l’arrimage moléculaire. Cette analyse nous a permis d’identifier les résidus nécessaires pour la liaison des ligands. On observe aussi qu’Ivabradine ne forme aucune liaison so- lide avec les canaux HCNs mais ne fait que bloquer le passage par sa présence tout comme ses dérivées Zatebradine et Cilobradine. Les ligands de plus petites tailles quant à eux, se logent dans une cavité hydrophobe et forme des liaisons stable avec les pro- téines. Nos résultats semblent suggérer que le blocage par Ivabradine est plus efficace, mais que les liaisons stables des petits ligands possèdent un potentiel plus grand vers une meilleure affinité. Par contre, les interactions observées suggèrent que la spécificité envers les isoformes proviendrait des cinétiques des canaux et des dépendances d’états des ligands plutôt que des interactions identifiées. Pour finir, l’arrimage des ligands sur la conformation fermé du canal HCN1 suggère qu’il existerait une conformation fermée- liée non connue puisqu’aucun ligand n’a pu accéder au pore. / HCN channels have a role in regulating heart rate as well as in the transmission of nerve impulses. Many pathologies are caused by a malfunction of these channels. To date, Ivabradine is the only molecule used as a drug, but despite its specificity for HCN chan- nels, it is not selective between the isoforms of the HCN family. In order to identify a molecule more suitable for the treatment than ivabradine, we analyzed the interaction between HCN family and 9 known blockers using docking. This analysis allowed us to identify the necessary residuals for ligand binding. It is also observed that ivabradine forms no solid bond with the HCN channels but only blocks the passage by its pres- ence, the same was observed for its derivatives Zatebradine and Cilobradine. Ligands of smaller size, for their part, are lodged in a hydrophobic cavity and form stable bonds with the proteins. Our results seem to suggest that blocking with Ivabradine is more effi- cient but that the stable bonds of small ligands have a greater potential for better affinity. However, the observed interactions suggest that the specificity towards isoforms would come from the kinetics of the channels and state dependencies of ligands rather than identified interactions. Finally, the binding of the ligands to the closed conformation of the HCN1 channel suggests that there would be a closed-bound conformation that is not known since no ligand has been able to access the pore.